JP6178102B2 - Compression coil spring and method of manufacturing the same - Google Patents

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Description

本発明は、たとえば自動車のエンジンやクラッチ内で使用される圧縮コイルばねに関し、特に、高応力下の使用環境においても優れた耐疲労性を有する圧縮コイルばねおよびその製造方法に関する。   The present invention relates to a compression coil spring used, for example, in an automobile engine or clutch, and more particularly to a compression coil spring having excellent fatigue resistance even in a use environment under high stress and a method for manufacturing the same.

近年、環境問題を背景に自動車への低燃費化の要求が年々厳しくなっており、自動車部品に対する小型軽量化がこれまで以上に強く求められている。この小型軽量化の要求に対し、たとえばエンジン内で使用されるバルブスプリングや、クラッチ内で使用されるクラッチトーションスプリングをはじめとする圧縮コイルばね部品においては、材料の高強度化や、表面処理による表面強化の研究が盛んであり、その結果をもってコイルばねの特性として重要な耐疲労性の向上や、耐へたり性の向上を図ってきている。   In recent years, demands for reducing fuel consumption for automobiles have become stricter year by year due to environmental problems, and there is a strong demand for smaller and lighter automobile parts than ever. In response to this demand for small size and light weight, for example, compression spring components such as valve springs used in engines and clutch torsion springs used in clutches are made with high strength materials and surface treatment. Research on surface strengthening has been actively conducted, and as a result, improvements in fatigue resistance and sag resistance, which are important characteristics of coil springs, have been attempted.

一般に、コイルばねの製造方法は、熱間成形法と冷間成形法に大別される。熱間成形法は、線径dが太い、そしてコイル平均径Dと線径dとの比であるばね指数D/dが小さいなど、その加工性の悪さから冷間成形が困難であるコイルばねの成形に用いられ、コイルばね線材としては炭素鋼やばね鋼が用いられている。熱間成形法では、線材を加工し易いように高温に加熱して芯金に巻き付けてコイルばね形状にコイリングし、焼入れ・焼戻し後に、さらにショットピーニングやセッチングを施して、コイルばねの性能として主要となる耐疲労性や耐へたり性を得ている。なお、熱間成形法においては、無芯金でのコイリングは技術的に非常に困難であるためこれまで実用化には至っていない。よって、熱間成形法は芯金を用いることが従来の技術では必須であり、成形できるコイルばねとしては、無芯金でコイリング可能な冷間成形法と比べ形状の自由度が低い。   Generally, the manufacturing method of a coil spring is divided roughly into a hot forming method and a cold forming method. The hot forming method is a coil spring in which cold forming is difficult due to its poor workability such as a large wire diameter d and a small spring index D / d which is a ratio of the coil average diameter D to the wire diameter d. Carbon steel or spring steel is used as the coil spring wire. In the hot forming method, the wire rod is heated to a high temperature so that it can be easily processed, coiled into a coil spring shape, coiled into a coil spring shape, and after quenching and tempering, shot peening and setting are further performed. Has become fatigue resistance and sag resistance. In the hot forming method, coiling with a coreless metal is technically very difficult, so that it has not been put into practical use so far. Therefore, in the hot forming method, it is indispensable in the prior art to use a cored bar, and as a coil spring that can be molded, the degree of freedom of shape is low compared to the cold forming method that can be coiled with a coreless bar.

一方、バルブスプリングやクラッチトーションスプリングクラスの圧縮コイルばねについては、比較的線径が細いために冷間成形が可能である。そして、加熱による変態や熱膨張収縮を伴わないことから高い寸法精度が得やすく、更に、加工速度や設備費等による量産性(タクト、コスト)も高いことから、このクラスの圧縮コイルばねの製造については従来から冷間成形法が採用されている。また、この冷間成形法については無芯金での成形技術が確立されており、コイルばねの形状自由度が高いことも、冷間成形法が用いられる大きな一因であり、熱間成形法によるバルブスプリングやクラッチトーションスプリングクラスの圧縮コイルばねの製造技術はこれまでに実在しない。なお、冷間成形法においては、コイルばね線材としては、炭素鋼線、硬鋼線、ピアノ線、ばね鋼線といった硬引線が従来用いられてきた。しかしながら、近年、軽量化の観点から材料の高強度化が求められており、高価なオイルテンパー線が広く用いられるようになってきている。   On the other hand, valve coil and clutch torsion spring class compression coil springs can be cold formed because of their relatively small wire diameter. In addition, it is easy to obtain high dimensional accuracy because it does not involve transformation or thermal expansion / contraction due to heating, and mass productivity (tact, cost) due to processing speed and equipment costs is high. Conventionally, a cold forming method has been adopted. In addition, for this cold forming method, a coreless metal forming technique has been established, and the high degree of freedom in the shape of the coil spring is also a major factor in the use of the cold forming method. The manufacturing technology of compression coil springs of the valve springs and clutch torsion springs class by has never existed. In the cold forming method, a hard wire such as a carbon steel wire, a hard steel wire, a piano wire, or a spring steel wire has been conventionally used as the coil spring wire. However, in recent years, there has been a demand for higher strength of materials from the viewpoint of weight reduction, and expensive oil tempered wires have been widely used.

冷間成形法では、図1(D)および(E)に示すように、線材を冷間でコイルばね形状にコイリングし、焼鈍後、ショットピーニングおよびセッチングを必要に応じて施す。ここで、焼鈍は、コイルばねの耐疲労性向上の阻害要因となる加工によって生じた残留応力を除去することを目的としており、ショットピーニングによる表面への圧縮残留応力の付与と合わせ、コイルばねの耐疲労性向上に寄与する。なお、バルブスプリングやクラッチトーションスプリングのような高負荷応力で使用されるコイルばねについては、窒化処理による表面硬化処理がショットピーニング前に必要に応じて施される。   In the cold forming method, as shown in FIGS. 1D and 1E, the wire is cold coiled into a coil spring shape, and after annealing, shot peening and setting are performed as necessary. Here, the purpose of annealing is to remove the residual stress caused by the processing that hinders the improvement of the fatigue resistance of the coil spring. Together with the application of compressive residual stress to the surface by shot peening, Contributes to improved fatigue resistance. In addition, about the coil spring used by high load stress like a valve spring and a clutch torsion spring, the surface hardening process by a nitriding process is performed as needed before shot peening.

さらなる耐疲労性の向上を目指した研究が盛んに行われている。たとえば、特許文献1には、冷間成形用のオイルテンパ線が記載されており、残留オーステナイトの加工誘起変態を利用して耐疲労性を向上させる技術が開示されている。特許文献2には、窒化処理を施した線材の表面に、異なる投射速度での多段ショットピーニングを施すことで大きな圧縮残留応力を付与し、耐疲労性の向上を図る技術が開示されている。 There are many studies aimed at further improving fatigue resistance. For example, Patent Document 1, oil-tempered over line for cold forming has been described a technique for improving the fatigue resistance by utilizing deformation-induced transformation of retained austenite has been disclosed. Patent Document 2 discloses a technique for improving fatigue resistance by applying a large compressive residual stress to a surface of a wire subjected to nitriding treatment by multistage shot peening at different projection speeds.

特許文献1においてコイリング後のコイルばねには残留応力が生じる。この残留応力、特にコイル内径側表面に発生する線軸方向の引張残留応力は、コイルばねとしての耐疲労性向上の阻害要因である。そして、通常はこの加工による残留応力を除去するために焼鈍を施すが、焼戻し軟化抵抗が高い特許文献1にある線材をもってしても、所望の線材の強度を維持したうえでこの残留応力を完全に除去することが困難なことは容易に推定でき、当業者にとっては周知である。したがって、その後ショットピーニングを施したところで、加工によってコイル内径側に残留した引張残留応力の影響により線材表面に十分な圧縮残留応力を付与することは困難であり、コイルばねとしての十分な耐疲労性を得ることができない。また、焼戻し軟化抵抗の向上に寄与するV、Moといった元素は高価である。よって、線材が非常に高価となり、当然、製品としてのコイルばねも高価なものとなる。   In Patent Document 1, residual stress is generated in the coil spring after coiling. This residual stress, particularly the tensile residual stress in the direction of the linear axis generated on the inner surface of the coil, is an impediment to improving fatigue resistance as a coil spring. Normally, annealing is performed to remove the residual stress due to this processing, but even with the wire in Patent Document 1 having a high resistance to temper softening, the residual stress is completely maintained while maintaining the strength of the desired wire. This is difficult to remove and is well known to those skilled in the art. Therefore, when shot peening is performed afterwards, it is difficult to apply sufficient compressive residual stress to the wire surface due to the effect of tensile residual stress remaining on the inner diameter side of the coil due to processing, and sufficient fatigue resistance as a coil spring Can't get. Further, elements such as V and Mo that contribute to the improvement of the temper softening resistance are expensive. Therefore, the wire is very expensive, and naturally the coil spring as a product is also expensive.

また、特許文献2では、コイルばねの線材表面近傍(以下、「表面」と称す)の圧縮残留応力は1400MPa程度あり、バルブスプリングやクラッチトーションスプリングクラスの高負荷応力下で使用するコイルばねとして、表面における亀裂発生抑制に対しその圧縮残留応力は十分である。しかしながら、表面の圧縮残留応力を向上させた結果、線材内部での圧縮残留応力は小さくなり、介在物などを起点とする線材内部での亀裂発生に対しては、その圧縮残留応力の効果が乏しくなる。つまり、特許文献2による手段では、ショットピーニングにより与えられるエネルギーに限りがあるため、すなわち圧縮残留応力分布の変化は与えられるものの圧縮残留応力の総和を大きく向上させることは困難である。先述した加工による残留応力の影響を解消することなどは考慮されておらず、よって、同じ強度の線材に対してその耐疲労性の向上効果は乏しい。   Moreover, in patent document 2, the compression residual stress of the wire spring surface vicinity (henceforth "surface") of a coil spring is about 1400 MPa, As a coil spring used under the high load stress of a valve spring or a clutch torsion spring class, The compressive residual stress is sufficient for suppressing crack initiation on the surface. However, as a result of improving the compressive residual stress on the surface, the compressive residual stress inside the wire is reduced, and the effect of the compressive residual stress is poor on cracks inside the wire starting from inclusions. Become. That is, with the means according to Patent Document 2, the energy given by shot peening is limited, that is, although the change in compressive residual stress distribution is given, it is difficult to greatly improve the sum of compressive residual stresses. It is not considered to eliminate the influence of the residual stress caused by the above-described processing. Therefore, the effect of improving the fatigue resistance is poor with respect to the wire having the same strength.

特許第3595901号Japanese Patent No. 3595901 特開2009−226523号公報JP 2009-226523 A

上記のように、従来の製造方法や特許文献1、2等では、近年の高応力下での耐疲労性の更なる向上とコスト低減の両立を求めた要求に対し、その対応は困難を来す。また、冷間成形用として現在主流となっているオイルテンパー線は高価であり、中でも性能向上のためにNi、V、Moといった高級元素を添加したオイルテンパー線は非常に高価である。さらに、成形後の焼鈍処理で加工による残留応力を完全に解消できていないことから、線材の性能を十分に活用できていない。   As described above, the conventional manufacturing method and Patent Documents 1 and 2 and the like are difficult to meet the recent demands for further improvement of fatigue resistance under high stress and cost reduction. The In addition, oil tempered wires, which are currently mainstream for cold forming, are expensive. Above all, oil tempered wires to which higher elements such as Ni, V, and Mo are added for performance improvement are very expensive. Furthermore, since the residual stress due to the processing cannot be completely eliminated by the annealing treatment after forming, the performance of the wire cannot be fully utilized.

本発明は、このような背景の下、コイリング加工による引張残留応力を解消すると共に線材表面にC濃化層を形成し、成形後の線材に適切な圧縮残留応力分布を付与することにより、安価な線材を用いた高耐久性の圧縮コイルばねおよびその製造方法を提供することを目的とする。   Under such a background, the present invention eliminates the tensile residual stress due to the coiling process and forms a C-concentrated layer on the surface of the wire, thereby providing an appropriate compressive residual stress distribution to the formed wire. An object of the present invention is to provide a highly durable compression coil spring using a simple wire and a method for manufacturing the same.

本発明者らは、コイルばねの耐疲労性について鋭意研究を行った。そして、大きな圧縮残留応力を得るには、コイリング加工時の引張残留応力を解消し、後に行うショットピーニングやセッチングの効果を効果的に得ることが重要であるとの考えに至った。そこで、ショットピーニング工程前までにばね線材の引張残留応力を解消する方法について検討を行った。その結果、コイルばね線材をオーステナイト域まで加熱することにより残留応力を解消できることに着目し、コイルばね線材をオーステナイト域まで加熱した状態でコイリング加工を行い、加工に起因した残留応力の発生を解消して、後に行うショットピーニングやセッチングの効果を効率的に得ることができることを見出した。   The inventors of the present invention have conducted extensive research on the fatigue resistance of coil springs. And in order to obtain a big compressive residual stress, it came to the thought that it is important to eliminate the tensile residual stress at the time of coiling, and to obtain the effect of shot peening and setting performed later effectively. Therefore, a method for eliminating the tensile residual stress of the spring wire before the shot peening process was studied. As a result, focusing on the fact that the residual stress can be eliminated by heating the coil spring wire to the austenite region, coiling is performed while the coil spring wire is heated to the austenite region, thereby eliminating the residual stress caused by the processing. It was found that the effects of shot peening and setting performed later can be obtained efficiently.

オーステナイト域までの加熱段階において、その加熱をより短時間で行うことは、旧オーステナイト結晶粒径(以下、「結晶粒径」と称す)の粗大化抑制、或いは、微細化に繋がる。そしてこの結晶粒径は耐疲労性と密接な関係にあり、結晶粒径の微細化は耐疲労性の向上に有効である。よって、コイルばね線材を短時間で加熱して熱間加工することで、加工に起因する残留応力を解消することと相まって、より耐疲労性に優れたばねの製作が可能となる。   In the heating stage up to the austenite region, heating in a shorter time leads to suppression of coarsening or refinement of the prior austenite crystal grain size (hereinafter referred to as “crystal grain size”). The crystal grain size is closely related to the fatigue resistance, and the refinement of the crystal grain size is effective for improving the fatigue resistance. Therefore, by heating the coil spring wire in a short time and performing hot processing, it becomes possible to manufacture a spring with more excellent fatigue resistance in combination with eliminating residual stress caused by processing.

さらに、コイルばねに対して浸炭処理を行い、ばね内径側表層部にC濃化層を形成することにより、圧縮時に最大の引張応力が作用するばね内径側表面近傍を高硬度として降伏応力を向上させ、後に行うショットピーニングの効果を効率的に得ることができる。ここで、浸炭処理を熱間コイリング加工時に行うと、浸炭処理を効率的に行うことが可能である。   Furthermore, by carburizing the coil spring and forming a C-enriched layer on the inner surface of the spring inner diameter side, the yield stress is improved with high hardness in the vicinity of the surface on the inner diameter side of the spring where the maximum tensile stress acts during compression. The effect of shot peening performed later can be obtained efficiently. Here, if the carburizing process is performed during hot coiling, the carburizing process can be performed efficiently.

また、冷間コイリング加工後にコイルばね線材をオーステナイト域まで加熱して加工による残留応力を解消することによって、後に行うショットピーニングやセッチングの効果を効率的に得ることができる。冷間コイリング加工の場合では、コイリング後の加熱時に浸炭処理を同時に行うと浸炭処理を効率的に行うことが可能である。   Moreover, the effect of the shot peening or setting performed later can be efficiently obtained by heating the coil spring wire to the austenite region after the cold coiling to eliminate the residual stress due to the processing. In the case of cold coiling, the carburizing process can be efficiently performed by performing the carburizing process simultaneously with heating after coiling.

すなわち、本発明の圧縮コイルばねは、質量%で、Cが0.80%以下の鋼線材を用いた圧縮コイルばねにおいて、ばね内径側表層部に前記鋼線材に含まれるCの平均濃度を超えるC濃化層を有し、任意の線材横断面において表面C濃度およびC濃化層深さが前記横断面円周に沿ってばね内径側から外径側に向かうに従って連続的に減少していることを特徴としている。   That is, the compression coil spring according to the present invention is a compression coil spring using a steel wire material having a mass% and C of 0.80% or less, and exceeds the average concentration of C contained in the steel wire material at the spring inner diameter side surface layer portion. It has a C-concentrated layer, and the surface C concentration and the C-concentrated layer depth are continuously decreased along the circumference of the transverse section from the inner diameter side of the spring toward the outer diameter side in an arbitrary wire cross section. It is characterized by that.

ここで、Cは、強度向上に寄与するが、Cの含有量が0.80重量%を超えると、靭性が低下して割れが発生し易くなる。このため、Cの含有量は0.80重量%以下とする。なお、Cの含有量が0.45重量%未満では、強度向上の効果が十分に得られないため、耐疲労性、耐へたり性が不十分となる。よって、Cは0.45重量%以上であることが望ましい。   Here, C contributes to strength improvement, but if the content of C exceeds 0.80% by weight, the toughness is lowered and cracking is likely to occur. For this reason, content of C shall be 0.80 weight% or less. If the C content is less than 0.45% by weight, the effect of improving the strength cannot be obtained sufficiently, so that the fatigue resistance and sag resistance are insufficient. Therefore, C is preferably 0.45% by weight or more.

本発明においては、ばね内径側表層部に前記鋼線材に含まれるCの平均濃度を超えるC濃化層を有し、任意の線材横断面において表面C濃度およびC濃化層深さが前記横断面円周に沿ってばね内径側から外径側に向かうに従って連続的に減少していることを特徴としている。コイルばねの圧縮時には、ばね内径側表層部に最大の引張応力が作用するが、本発明においては、その部分に浸炭処理によってC濃化層を形成して降伏応力を向上させるため、後に行うショットピーニングによって大きな表面圧縮残留応力を付与することができる。また、硬いC濃化層の存在により、ショットピ−ニング後の表面粗さを改善することができ、このため、耐疲労性をさらに向上させる効果がある。そして、表面C濃度およびC濃化層深さが前記横断面円周に沿ってばね内径側から外径側に向かうに従って連続的に減少するので、コイルばねの圧縮時の引張応力の分布に降伏応力の分布が対応して、その横断面円周上で急激な弾性ひずみの変化を招くことなく、C濃化層を強化が必要な部分に効率良く作用させることができる。このため、コイルばねの全体を浸炭処理した場合と同等の性能(耐疲労性)を発揮することができる。   In the present invention, the spring inner diameter side surface layer portion has a C-concentrated layer exceeding the average concentration of C contained in the steel wire, and the surface C concentration and C-concentrated layer depth in the transverse cross section of the arbitrary wire rod It is characterized by decreasing continuously from the spring inner diameter side to the outer diameter side along the surface circumference. When the coil spring is compressed, the maximum tensile stress acts on the inner surface portion of the spring inner diameter side. In the present invention, a C concentrated layer is formed in the portion by carburizing treatment to improve the yield stress. A large surface compressive residual stress can be applied by peening. In addition, the presence of the hard C-concentrated layer can improve the surface roughness after shot pinning, and has the effect of further improving fatigue resistance. Since the surface C concentration and the C-enriched layer depth continuously decrease along the transverse cross-section circumference from the spring inner diameter side to the outer diameter side, the yield stress distribution in the coil spring is reduced. Corresponding to the stress distribution, the C-enriched layer can be efficiently applied to the portion that needs to be strengthened without causing a sudden change in elastic strain on the circumference of the cross section. For this reason, the performance (fatigue resistance) equivalent to the case where the whole coil spring is carburized can be exhibited.

C濃化層の効果を十分に得るため、C濃化層における最大C濃度は0.7〜0.9%であることが好ましく、C濃化層(浸炭深さ)は、線材表面から0.01〜0.1mmの深さまで形成されていることが好ましい。C濃化層の最大C濃度が0.7%未満の場合や、C濃化層の厚さが0.01mm未満の場合は浸炭による効果が十分に得られない。一方、C濃化層の最大C濃度が0.9%を超える場合は、母相に固溶できないCが粗大な炭化物として析出し、この炭化物と母相との弾性ひずみの差から破壊起点となりやすく、耐疲労性の低下を招く。C濃化層の厚さが0.1mmを超える場合は、短時間での処理を前提としたときには高温での処理が必要となり、その結果、結晶粒度が粗大化し、耐疲労性の低下を招く。一方、浸炭深さは浸炭時間に依存するから、結晶粒度を維持したまま0.1mmを超える深さまで浸炭を行うには長い処理時間を要する。よって、後述する本発明の圧縮コイルばねの第1の製造方法および第2の製造方法においては、長時間を掛けて処理することは鋼線材の供給速度の低下につながり、コイリング中およびその後の大きな温度低下を招くことから正常な焼入れが困難となる。また、第3の製造方法では、長時間を掛けて浸炭処理することは生産能力の観点から実用性がない。   In order to sufficiently obtain the effect of the C-enriched layer, the maximum C concentration in the C-enriched layer is preferably 0.7 to 0.9%, and the C-enriched layer (carburized depth) is 0 from the wire surface. It is preferable to be formed to a depth of 0.01 to 0.1 mm. When the maximum C concentration of the C concentrated layer is less than 0.7%, or when the thickness of the C concentrated layer is less than 0.01 mm, the effect of carburization cannot be sufficiently obtained. On the other hand, when the maximum C concentration of the C-concentrated layer exceeds 0.9%, C that cannot be dissolved in the matrix phase precipitates as coarse carbides, which becomes a fracture starting point due to the difference in elastic strain between the carbides and the matrix phase. It easily causes a decrease in fatigue resistance. When the thickness of the C-concentrated layer exceeds 0.1 mm, a high-temperature treatment is required on the premise of a short-time treatment. As a result, the crystal grain size becomes coarse and fatigue resistance is reduced. . On the other hand, since the carburizing depth depends on the carburizing time, it takes a long processing time to perform carburizing to a depth exceeding 0.1 mm while maintaining the crystal grain size. Therefore, in the first manufacturing method and the second manufacturing method of the compression coil spring of the present invention, which will be described later, processing for a long time leads to a decrease in the supply speed of the steel wire, and during the coiling and the subsequent large Normal quenching becomes difficult because the temperature decreases. In the third manufacturing method, carburizing treatment for a long time is not practical from the viewpoint of production capacity.

次に、本発明の圧縮コイルばねの製造方法について述べる。本発明の圧縮コイルばねの第1の製造方法では、コイルばね成形機により鋼線材を熱間成形するコイリング工程と、コイリングした後に切離され温度が未だオーステナイト域にあるコイルをそのまま焼入れする焼入れ工程と、コイルを調質する焼戻し工程と、鋼線材表面に圧縮残留応力を付与するショットピーニング工程と、セッチング工程とを順に行う。ここで、コイルばね成形機は、連続的に鋼線材を供給するためのフィードローラと、鋼線材をコイル状に成形するコイリング部と、鋼線材を所定巻数コイリングした後に後方より連続して供給されてくる鋼線材と切断するための切断手段とを有している。また、コイリング部は、フィードローラにより供給された鋼線材を加工部の適切な位置へ誘導するためのワイヤガイドと、ワイヤガイドを経由して供給された鋼線材をコイル形状に加工するためのコイリングピンもしくはコイリングローラからなるコイリングツールと、ピッチを付けるためのピッチツールとを備えている。さらに、コイルばね成形機は、フィードローラの出口からコイリングツールの間に鋼線材を2.5秒以内でオーステナイト域まで昇温する加熱手段を有している。そして、加熱中から焼入れまでの間に、鋼線材の径方向のなかでばね形状に成形した際に外径側となる方向に位置したガス吹付けノズルから鋼線材表面に炭化水素系ガスを直接吹付ける浸炭工程を行う。   Next, the manufacturing method of the compression coil spring of this invention is described. In the first method for producing a compression coil spring of the present invention, a coiling step of hot forming a steel wire by a coil spring forming machine, and a quenching step of quenching a coil that has been separated after coiling and is still in the austenite region as it is Then, a tempering step for tempering the coil, a shot peening step for imparting compressive residual stress to the surface of the steel wire, and a setting step are sequentially performed. Here, the coil spring forming machine is continuously supplied from the rear after a feed roller for continuously supplying the steel wire, a coiling portion for forming the steel wire into a coil shape, and coiling the steel wire with a predetermined number of turns. It has the steel wire which comes and the cutting means for cutting. The coiling unit includes a wire guide for guiding the steel wire supplied by the feed roller to an appropriate position of the processing unit, and a coiling for processing the steel wire supplied via the wire guide into a coil shape. A coiling tool including a pin or a coiling roller and a pitch tool for adding a pitch are provided. Further, the coil spring forming machine has a heating means for raising the temperature of the steel wire to the austenite region within 2.5 seconds between the outlet of the feed roller and the coiling tool. Then, during the period from heating to quenching, hydrocarbon gas is directly applied to the surface of the steel wire from the gas blowing nozzle located in the direction of the outer diameter when formed into a spring shape in the radial direction of the steel wire. Carburizing process is performed.

また、本発明の圧縮コイルばねの第2の製造方法では、鋼線材の表層部にC濃化層を形成する浸炭工程と、コイルばね成形機により鋼線材を熱間成形するコイリング工程と、コイリングした後に切離され温度が未だオーステナイト域にあるコイルをそのまま焼入れする焼入れ工程と、コイルを調質する焼戻し工程と、鋼線材表面に圧縮残留応力を付与するショットピーニング工程と、セッチング工程とを順に行う。浸炭工程におけるC濃化層を形成する手段は、鋼線材の径方向のなかでばね形状に成形した際に外径側となる方向に位置したガス吹付けノズルから加熱した鋼線材表面に炭化水素系ガスを直接吹付けるものである。また、コイリング工程に用いるコイルばね成形機は、本発明の第1の製造方法で用いたものと同様である。加熱手段は高周波加熱であり、ワイヤガイド内における鋼線材の通過経路上若しくはワイヤガイドにおける鋼線材出口側末端とコイリングツールとの空間における鋼線材の通過経路上に鋼線材と同心となるように高周波加熱コイルが配置されている。そして、浸炭工程とコイリング工程が途中で鋼線材の切離がない連続した工程である。   Moreover, in the 2nd manufacturing method of the compression coil spring of this invention, the carburizing process which forms C concentrating layer in the surface layer part of steel wire, the coiling process which hot-forms steel wire with a coil spring forming machine, and coiling After that, the quenching process in which the coil that has been separated and the temperature is still in the austenite region is quenched as it is, the tempering process in which the coil is tempered, the shot peening process in which compressive residual stress is applied to the surface of the steel wire, and the setting process are sequentially performed. Do. The means for forming the C-enriched layer in the carburizing step is hydrocarbon on the surface of the steel wire heated from the gas spray nozzle located in the direction of the outer diameter when formed into a spring shape in the radial direction of the steel wire. System gas is sprayed directly. The coil spring forming machine used in the coiling process is the same as that used in the first manufacturing method of the present invention. The heating means is high-frequency heating, and the high-frequency heating is performed so as to be concentric with the steel wire on the passage of the steel wire in the wire guide or on the passage of the steel wire in the space between the steel wire outlet end and the coiling tool in the wire guide. A heating coil is arranged. And the carburizing process and the coiling process are continuous processes in which there is no separation of the steel wire material.

さらに、本発明の圧縮コイルばねの第3の製造方法では、コイルばね成形機により鋼線材を成形するコイリング工程と、コイルを20秒以内でオーステナイト域まで昇温し焼入れを行う加熱焼入れ工程と、コイルを調質する焼戻し工程と、線材表面に圧縮残留応力を付与するショットピーニング工程と、セッチング工程とを順に行う。加熱焼入れ工程における加熱手段が高周波加熱であり、加熱中から焼入れまでの間に、成形したコイルばねの外径方向に位置したガス吹付けノズルから鋼線材表面に炭化水素系ガスを直接吹付ける浸炭工程を行うことを特徴とする。   Furthermore, in the third manufacturing method of the compression coil spring of the present invention, a coiling step of forming a steel wire by a coil spring forming machine, a heating and quenching step of heating and quenching the coil to an austenite region within 20 seconds, A tempering step for tempering the coil, a shot peening step for imparting compressive residual stress to the surface of the wire, and a setting step are sequentially performed. The heating means in the heating and quenching process is high-frequency heating, and carburizing in which hydrocarbon gas is directly blown onto the surface of the steel wire rod from the gas blowing nozzle located in the outer diameter direction of the formed coil spring between heating and quenching A process is performed.

本発明の圧縮コイルばねの第1〜第3の製造方法では、鋼線材の径方向のなかでばね形状に成形した際に外径側となる方向(第1、第2の製造方法)、または、成形したコイルばねの外径方向(第3の製造方法)に位置したガス吹付けノズルから鋼線材表面に炭化水素系ガスを直接吹付けることを特徴としている。ガス吹付けノズルから鋼線材表面に炭化水素系ガスを直接吹付けると、吹き付けられた鋼線材表面は冷却されて温度が低下し、炭化水素系ガスとの反応は生じないか生じても僅かである。一方、コイルばねの内径方向側では、炭化水素系ガスが鋼線材を回り込んでその表面に接触するが表面は冷却されておらず、炭化水素系ガスとの反応が活発に行われる。したがって、表面C濃度およびC濃化層深さが横断面円周に沿ってばね内径側から外径側に向かうに従って連続的に減少する。しかも、鋼線材を短時間で加熱してから炭化水素系ガスを直接吹き付けて浸炭を行うから、結晶粒の成長が抑制され、結晶粒を微細にすることができ、耐疲労性を向上させることができる。なお、上記のような作用を確実に得るために、ガス吹付けノズルの先端は、鋼線材表面から0.1〜10.0mm離間させることが望ましい。   In the first to third manufacturing methods of the compression coil spring of the present invention, the direction (first and second manufacturing methods) which becomes the outer diameter side when formed into a spring shape in the radial direction of the steel wire, or The hydrocarbon-based gas is directly sprayed onto the surface of the steel wire from a gas spray nozzle located in the outer diameter direction (third manufacturing method) of the formed coil spring. When hydrocarbon gas is blown directly from the gas blowing nozzle onto the surface of the steel wire, the surface of the blown steel wire is cooled and the temperature drops, and there is little or no reaction with the hydrocarbon gas. is there. On the other hand, on the inner diameter direction side of the coil spring, the hydrocarbon-based gas goes around the steel wire and contacts the surface, but the surface is not cooled, and the reaction with the hydrocarbon-based gas is actively performed. Accordingly, the surface C concentration and the C enriched layer depth continuously decrease along the transverse cross-section circumference from the spring inner diameter side toward the outer diameter side. Moreover, since the steel wire is heated in a short time and then carburized by directly blowing hydrocarbon gas, the growth of crystal grains can be suppressed, the crystal grains can be made fine, and the fatigue resistance can be improved. Can do. In addition, in order to acquire the above effects reliably, it is desirable that the tip of the gas spray nozzle be separated from the steel wire surface by 0.1 to 10.0 mm.

ここで、炭化水素系ガスを吹付ける時点の鋼線材表面温度が850〜1150℃であり、且つ、線材表面部における炭化水素系ガスの動圧が0.1〜5.0kPaであることが好ましい。この浸炭条件によれば、線材の結晶粒度の著しい低下を防ぎながら浸炭を短時間で効率的に行うことができる。また、本発明の圧縮コイルばねの第1〜第3の製造方法では、炭化水素系ガスの主成分が、メタン、ブタン、プロパン、アセチレンのいずれかであることが好ましい。   Here, it is preferable that the surface temperature of the steel wire at the time of blowing the hydrocarbon-based gas is 850 to 1150 ° C., and the dynamic pressure of the hydrocarbon-based gas on the surface of the wire is 0.1 to 5.0 kPa. . According to this carburizing condition, carburizing can be performed efficiently in a short time while preventing a significant decrease in the crystal grain size of the wire. In the first to third manufacturing methods of the compression coil spring of the present invention, it is preferable that the main component of the hydrocarbon gas is any one of methane, butane, propane, and acetylene.

上記製造方法において、焼戻し工程は、焼入れ工程によって硬化されたコイルを適切な硬さと靭性を有するコイルに調質するために行う。よって、焼入れしたままで所望の硬さと靭性とが得られる場合には、焼戻し工程は省略しても良い。そして、ショットピーニング工程では、多段ショットピーニングを行っても良く、さらに、表面弾性限の回復を目的とした低温時効処理を必要に応じ組み合わせても良い。ここで、低温時効処理はショットピーニング工程後、あるいは多段ショットピーニングの各段の間にて行うことができ、多段ショットピーニングにおける最終段として粒径0.02〜0.30mmのショットによるショットピーニングを施す場合には、その前処理として行うことが、最表面の圧縮残留応力をより高める上で好適である。なお、セッチング工程においてへたり防止処理としてコイルに施すセッチングとしては、コールドセッチング、ホットセッチング等種々方法はあるが、所望する特性により適宜選択する。   In the said manufacturing method, a tempering process is performed in order to temper the coil hardened | cured by the hardening process to the coil which has appropriate hardness and toughness. Therefore, when desired hardness and toughness can be obtained with quenching, the tempering step may be omitted. In the shot peening process, multi-stage shot peening may be performed, and furthermore, low temperature aging treatment for the purpose of recovering the surface elasticity limit may be combined as necessary. Here, the low temperature aging treatment can be performed after the shot peening process or between each stage of the multi-stage shot peening, and shot peening with a shot having a particle diameter of 0.02 to 0.30 mm is performed as the final stage in the multi-stage shot peening. When applied, it is preferable to perform the pretreatment to further increase the compressive residual stress on the outermost surface. Although there are various methods such as cold setting and hot setting as the setting applied to the coil as a settling prevention process in the setting process, it is selected as appropriate according to desired characteristics.

本発明の圧縮コイルばねの第1および第2の製造方法によれば、上記コイルばね成形機で熱間コイリングを行うため、加工による残留応力の発生を防止することができる。そして、鋼線材を2.5秒以内でオーステナイト域まで昇温するため、結晶粒の粗大化を防ぐことができ、優れた耐疲労性を得ることができる。また、浸炭処理を施すため、鋼線材表面を高硬度とすることができ、後に行うショットピーニングによって効果的に圧縮残留応力を付与することができる。特に、本発明の圧縮コイルばねの第1の製造方法では、熱間コイリング時の熱を利用して浸炭処理を行うため、効率的に浸炭処理を行うことが可能である。   According to the first and second manufacturing methods of the compression coil spring of the present invention, since hot coiling is performed by the coil spring forming machine, it is possible to prevent generation of residual stress due to processing. And since a steel wire is heated up to an austenite area within 2.5 seconds, the coarsening of a crystal grain can be prevented and the outstanding fatigue resistance can be acquired. Moreover, since the carburizing treatment is performed, the surface of the steel wire can be made high in hardness, and compressive residual stress can be effectively applied by shot peening performed later. Particularly, in the first manufacturing method of the compression coil spring of the present invention, the carburizing process is performed using the heat at the time of hot coiling, and therefore the carburizing process can be performed efficiently.

また、本発明の圧縮コイルばねの第3の製造方法によれば、コイルを20秒以内でオーステナイト域まで昇温し焼入れを行うため、結晶粒の粗大化を防ぎながら冷間コイリングにより発生した引張残留応力を解消することができる。また、加熱焼入れ時の熱を利用して浸炭処理を施すため、効率的に浸炭処理を行うことが可能である。これらのことから、後に行うショットピーニングによって効果的に圧縮残留応力を付与することができ、優れた耐疲労性を得ることができる。   Further, according to the third manufacturing method of the compression coil spring of the present invention, since the coil is heated to the austenite region within 20 seconds and quenched, the tensile force generated by cold coiling while preventing coarsening of crystal grains is prevented. Residual stress can be eliminated. Moreover, since the carburizing process is performed using the heat at the time of heating and quenching, the carburizing process can be performed efficiently. From these, compressive residual stress can be effectively applied by shot peening performed later, and excellent fatigue resistance can be obtained.

本発明は、ばねとして使用される炭素鋼線、硬鋼線、ピアノ線、ばね鋼線、炭素鋼オイルテンパー線、クロムバナジウム鋼オイルテンパー線、シリコンクロム鋼オイルテンパー線、シリコンクロムバナジウム鋼オイルテンパー線に対して適用が可能である。特に、安価な炭素鋼線、硬鋼線、ピアノ線、ばね鋼線に適用することが好適である。これは、上記製造方法により、安価な線材を利用しても高級元素が添加された高価なオイルテンパ線を使用した従来の冷間成形ばねよりも優れた耐疲労性のばねを得ることができるためである。 The present invention is a carbon steel wire, hard steel wire, piano wire, spring steel wire, carbon steel oil temper wire, chrome vanadium steel oil temper wire, silicon chrome steel oil temper wire, silicon chrome vanadium steel oil temper used as a spring. Applicable to lines. In particular, it is preferable to apply to inexpensive carbon steel wires, hard steel wires, piano wires, and spring steel wires. This is because the above-described manufacturing method, to obtain the fatigue resistance of the spring over the prior cold forming spring using expensive oil-tempered over line exclusive elements be utilized is added inexpensive wire This is because it can.

本発明によれば、コイリング加工による引張残留応力を解消すると共に、成形後の線材に適切な圧縮残留応力分布を付与することにより、安価な線材を用いて、高耐久性の圧縮コイルばねを得ることができる。   According to the present invention, a highly durable compression coil spring is obtained using an inexpensive wire by eliminating tensile residual stress due to coiling and imparting an appropriate compressive residual stress distribution to the formed wire. be able to.

コイルばねの製造工程の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the manufacturing process of a coil spring. 本発明の実施形態におけるコイリングマシンの成形部の概略図である。It is the schematic of the shaping | molding part of the coiling machine in embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態における高周波加熱コイル設置位置を示す概略図である。It is the schematic which shows the high frequency heating coil installation position in 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態における高周波加熱コイル設置位置を示す概略図である。It is the schematic which shows the high frequency heating coil installation position in 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態における高周波加熱コイル設置位置の変更例を示す概略図である。It is the schematic which shows the example of a change of the high frequency heating coil installation position in 1st Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態における高周波加熱コイル設置位置を示す概略図である。It is the schematic which shows the high frequency heating coil installation position in 3rd Embodiment of this invention. (A)は本発明の実施例においてC濃化層を調査した圧縮コイルばねを示す断面図、(B)は発明例8におけるC濃化層を示す図、(C)は発明例15におけるC濃化層を示す図である。(A) is sectional drawing which shows the compression coil spring which investigated C concentration layer in the Example of this invention, (B) is a figure which shows C concentration layer in Invention Example 8, (C) is C in Invention Example 15. It is a figure which shows a concentrated layer. 発明例8と発明例15におけるC濃度測定位置と表面C濃度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the C density | concentration measurement position and surface C density | concentration in invention example 8 and invention example 15.

以下、本発明の実施形態を具体的に説明する。本発明においては、以下の成分を有することが望ましい。なお、以下の説明において「%」は「重量%」を意味する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described. In the present invention, it is desirable to have the following components. In the following description, “%” means “% by weight”.

Si:0.15〜2.50%
Siは、鋼の脱酸に有効であると共に、強度向上や焼戻し軟化抵抗向上に寄与する。Siの含有量が0.15%未満では、これらの効果が十分に得られない。一方、Siの含有量が2.50%を超えると靭性が低下して割れが発生し易くなると共に、脱炭を助長し線材表面強度の低下を招く。このため、Siを0.15〜2.50%含有することが望ましい。
Si: 0.15 to 2.50%
Si is effective for deoxidation of steel and contributes to improvement of strength and resistance to temper softening. If the Si content is less than 0.15%, these effects cannot be obtained sufficiently. On the other hand, if the Si content exceeds 2.50%, the toughness is lowered and cracks are likely to occur, and decarburization is promoted to cause a reduction in the wire surface strength. For this reason, it is desirable to contain 0.15 to 2.50% of Si.

Mn:0.3〜1.0%
Mnは焼入れ性の向上に寄与する。Mnの含有量が0.3%未満では、十分な焼入れ性を確保し難くなり、また、延靭性に有害となるSの固着(MnS生成)の効果も乏しくなる。一方、Mnの含有量が1.0%を超えると、延性が低下し、割れや表面キズが発生し易くなる。このため、Mnを0.3〜1.0%含有することが望ましい。
Mn: 0.3 to 1.0%
Mn contributes to improvement of hardenability. When the Mn content is less than 0.3%, it becomes difficult to ensure sufficient hardenability, and the effect of S fixing (MnS generation) that is harmful to ductility becomes poor. On the other hand, when the content of Mn exceeds 1.0%, ductility is lowered, and cracks and surface scratches are likely to occur. For this reason, it is desirable to contain 0.3 to 1.0% of Mn.

なお、他の元素をさらに添加しても良い。すなわち、本発明においては、ばね鋼の成分組成として一般的に用いられているCr、B、Ni、Ti、Cu、Nb、V、Mo、W等の元素のうち1種または2種以上を0.005〜4.5%、その目的に応じて適宜添加することが可能であり、その結果、より高性能、若しくは、用途により適したコイルばねの製造も可能である。たとえば、Crを添加する場合について以下に述べる。   Other elements may be further added. That is, in the present invention, one or more elements of Cr, B, Ni, Ti, Cu, Nb, V, Mo, W, etc., which are generally used as the component composition of spring steel, are set to 0. 0.005 to 4.5%, which can be appropriately added depending on the purpose, and as a result, it is possible to produce a coil spring having higher performance or more suitable for use. For example, the case where Cr is added will be described below.

Cr:0.5〜2.0%
Crは脱炭を防止するのに有効であると共に、強度向上や焼戻し軟化抵抗向上に寄与し、耐疲労性の向上に有効である。また、温間での耐へたり性向上にも有効である。このため、本発明においてはさらに、Crを0.5〜2.0%含有することが好ましい。Crの含有量が0.5%未満では、これらの効果を十分に得られない。一方、Crの含有量が2.0%を超えると、靭性が低下し、割れや表面キズが発生し易くなる。
Cr: 0.5-2.0%
Cr is effective in preventing decarburization, contributes to improvement in strength and resistance to temper softening, and is effective in improving fatigue resistance. It is also effective in improving warm sag resistance. For this reason, in this invention, it is preferable to contain 0.5 to 2.0% of Cr further. If the Cr content is less than 0.5%, these effects cannot be obtained sufficiently. On the other hand, if the Cr content exceeds 2.0%, the toughness is lowered, and cracks and surface scratches are likely to occur.

図1に各製造工程を示す。図1(A)〜(C)は、本発明の圧縮コイルばねを得る製造工程であり、図1(D)、(E)、(F)は従来例である。図1(A)および(B)に示される製造工程は、以下のコイリングマシンによる熱間成形法であり、図1(C)に示される製造工程は、任意のコイリングマシンによる冷間成形法である。   FIG. 1 shows each manufacturing process. 1A to 1C are manufacturing steps for obtaining the compression coil spring of the present invention, and FIGS. 1D, 1E, and 1F are conventional examples. The manufacturing process shown in FIGS. 1A and 1B is a hot forming method using the following coiling machine, and the manufacturing process shown in FIG. 1C is a cold forming method using any coiling machine. is there.

図1(A)、(B)および(F)に示される製造工程で用いるコイリングマシンの成形部の概略を図2に示す。図2に示すように、コイリングマシン成形部1は、連続的に鋼線材Mを供給するためのフィードローラ10と、鋼線材Mをコイル状に成形するコイリング部20と、所定巻数コイリングした後に後方より連続して供給されてくる鋼線材Mとを切り離すための切断刃30aおよび内型30bを備えた切断手段30と、フィードローラ10の出口からコイリングツール22の間において鋼線材Mを加熱する高周波加熱コイル40とを有する。コイリング部20は、フィードローラ10により供給された鋼線材Mを適切な位置へ誘導するためのワイヤガイド21と、ワイヤガイド21を経由して供給された鋼線材Mをコイル形状に加工するためのコイリングピン(もしくはコイリングローラ)22aからなるコイリングツール22と、ピッチを付けるためのピッチツール23とを備えている。   FIG. 2 shows an outline of the molding part of the coiling machine used in the manufacturing process shown in FIGS. 1 (A), (B) and (F). As shown in FIG. 2, the coiling machine forming unit 1 includes a feed roller 10 for continuously supplying the steel wire M, a coiling unit 20 for forming the steel wire M into a coil shape, and a rear after coiling a predetermined number of turns. A high frequency for heating the steel wire M between the cutting means 30 having the cutting blade 30a and the inner mold 30b for separating the steel wire M supplied continuously and the coiling tool 22 from the outlet of the feed roller 10. And a heating coil 40. The coiling unit 20 is for guiding the steel wire M supplied by the feed roller 10 to an appropriate position, and for processing the steel wire M supplied via the wire guide 21 into a coil shape. A coiling tool 22 including a coiling pin (or coiling roller) 22a and a pitch tool 23 for adding a pitch are provided.

コイリングマシンでの急速加熱は、高周波加熱コイル40によって行い、鋼線材を2.5秒以内でオーステナイト域に昇温させる。高周波加熱コイル40の設置位置は図2に示す通りである。高周波加熱コイル40はワイヤガイド21の近傍に設置されており、鋼線材Mを加熱後、直ぐに成形出来るようにコイリング部20が設けられている。なお、高周波加熱コイルの設置位置は、鋼線材Mを加熱後、直ぐに成形できれば良いので、本実施形態で示した位置以外でも良い。   Rapid heating in the coiling machine is performed by the high-frequency heating coil 40, and the steel wire is heated to the austenite region within 2.5 seconds. The installation position of the high frequency heating coil 40 is as shown in FIG. The high-frequency heating coil 40 is installed in the vicinity of the wire guide 21, and the coiling portion 20 is provided so that the steel wire M can be formed immediately after heating. In addition, since the installation position of a high frequency heating coil should just be able to shape | mold immediately after heating the steel wire M, it may be other than the position shown in this embodiment.

コイリング部20では、ワイヤガイド21を抜けた鋼線材Mをコイリングピン22aに当接させて所定の曲率で曲げ、さらに下流のコイリングピン22aに当接させて所定の曲率で曲げる。そして、ピッチツール23に鋼線材Mを当接させて、所望のコイル形状となるようにピッチを付与する。所望の巻数となったところで、切断手段30の切断刃30aによって内型30bの直線部分との間でせん断によって切断して、後方より供給される鋼線材Mとばね形状の鋼線材Mとを切り離す。   In the coiling portion 20, the steel wire M that has passed through the wire guide 21 is brought into contact with the coiling pin 22a and bent at a predetermined curvature, and further brought into contact with the downstream coiling pin 22a and bent at a predetermined curvature. Then, the steel wire M is brought into contact with the pitch tool 23 to give a pitch so as to obtain a desired coil shape. When the desired number of turns is reached, the cutting blade 30a of the cutting means 30 is cut by shearing with the straight portion of the inner mold 30b to separate the steel wire M supplied from the rear and the spring-shaped steel wire M from each other. .

(1)第1実施形態
図1(A)に第1実施形態の製造工程を示す。まず、重量%で、Cを0.45〜0.80%、Siを0.15〜2.50%、Mnを0.3〜1.0%含み、残部が鉄および不可避不純物からなる円相当直径が1.5〜10mmの鋼線材Mを用意する。この鋼線材Mを線出機(図示省略)によりフィードローラ10へ供給し、高周波加熱コイル40によって鋼線材Mを2.5秒以内でオーステナイト域に加熱後、コイリング部20においてコイリングを行う(コイリング工程)。
(1) 1st Embodiment The manufacturing process of 1st Embodiment is shown to FIG. 1 (A). First, equivalent to a circle consisting of 0.45 to 0.80% C, 0.15 to 2.50% Si, 0.3 to 1.0% Mn, with the balance being iron and inevitable impurities. A steel wire M having a diameter of 1.5 to 10 mm is prepared. The steel wire M is supplied to the feed roller 10 by a wire drawing machine (not shown), and the steel wire M is heated to the austenite region within 2.5 seconds by the high-frequency heating coil 40, and then coiling is performed in the coiling section 20 (coiling). Process).

このとき、加熱中から焼入れまでの間に鋼線材Mの表面に炭化水素系ガスを直接吹付けて浸炭処理を同時に行う(浸炭工程)。たとえば、図3に示すようなガス吹付けノズル50を用いる。図3に示すガス吹付けノズル50は、高周波加熱コイル40より下流であって鋼線材Mから形成されたコイルばねの外径方向に位置している。この場合、ガス吹付けノズル50の先端位置は鋼線材Mの表面から0.1〜10.0mmとすることが好ましい。先端位置が0.1mm未満では、圧損によりガスの流れが悪くなり十分なガス流量が得られなくなることに加え、鋼線材Mの表面に当たって散逸するガス量が増え、その結果、鋼線材Mの内径方向側に回り込んで鋼線材Mの表面と接触するガス量が少なくなるため浸炭が安定しない。また、鋼線材Mの表面との距離が近過ぎると鋼線材Mからの輻射熱でガス吹付けノズル50が劣化してしまう。一方、ガス吹付けノズル50の先端位置が10.0mmを超えると、多量の炭化水素系ガスを吹き付ける必要が生じ経済的でない。浸炭は、ガス吹付圧(鋼線材M表面での動圧)0.1〜5.0kPa、鋼線材温度850〜1150℃において行い、鋼線材Mの表面に最大C濃度が0.7〜0.9重量%であり、厚さが0.01〜0.1mmのC濃化層を形成する。これにより、線材内部硬さよりも50HV以上高い表層部を得ることができる。   At this time, during the period from heating to quenching, a hydrocarbon-based gas is directly sprayed onto the surface of the steel wire M to perform carburizing treatment simultaneously (carburizing step). For example, a gas spray nozzle 50 as shown in FIG. 3 is used. The gas spray nozzle 50 shown in FIG. 3 is located downstream of the high-frequency heating coil 40 and in the outer diameter direction of a coil spring formed from the steel wire M. In this case, the tip position of the gas spray nozzle 50 is preferably 0.1 to 10.0 mm from the surface of the steel wire M. If the tip position is less than 0.1 mm, the gas flow becomes worse due to pressure loss and a sufficient gas flow rate cannot be obtained, and the amount of gas that dissipates against the surface of the steel wire M is increased. As a result, the inner diameter of the steel wire M is increased. Since the amount of gas that goes around in the direction and contacts the surface of the steel wire M is reduced, carburization is not stable. Moreover, if the distance from the surface of the steel wire M is too short, the gas blowing nozzle 50 is deteriorated by the radiant heat from the steel wire M. On the other hand, if the tip position of the gas spray nozzle 50 exceeds 10.0 mm, it is necessary to spray a large amount of hydrocarbon gas, which is not economical. Carburization is performed at a gas spray pressure (dynamic pressure on the surface of the steel wire M) of 0.1 to 5.0 kPa and a steel wire temperature of 850 to 1150 ° C., and the maximum C concentration on the surface of the steel wire M is 0.7 to 0.00. A C concentrated layer having a thickness of 9% by weight and a thickness of 0.01 to 0.1 mm is formed. Thereby, the surface layer part 50HV or more higher than wire internal hardness can be obtained.

次に、コイリング後に切離され温度が未だオーステナイト域にあるコイルをそのまま焼入れ槽(図示省略)において焼入れ(焼入れ溶媒としては、たとえば60℃程度の油)を行い(焼入れ工程)、さらに焼戻し(たとえば150〜450℃)を行う(焼戻し工程)。焼入れを行うことにより、マルテンサイト組織からなる高硬さ組織となり、さらに焼戻しを行うことにより、靭性に優れた焼戻しマルテンサイト組織とすることができる。ここで、焼入れ・焼戻し処理は一般的な方法を用いればよく、その焼入れ前の線材の加熱温度や焼入れ溶媒の種類・温度、そして焼戻しの温度や時間は、鋼線材Mの材質によって適宜設定する。   Next, the coil that has been separated after coiling and is still in the austenite region is quenched as it is in a quenching tank (not shown) (for example, an oil of about 60 ° C. as a quenching solvent) (quenching step), and further tempered (for example, 150-450 ° C.) (tempering step). By performing quenching, a high-hardness structure composed of a martensite structure is obtained, and by further tempering, a tempered martensite structure having excellent toughness can be obtained. Here, a general method may be used for quenching / tempering, and the heating temperature of the wire before quenching, the type and temperature of the quenching solvent, and the temperature and time of tempering are appropriately set according to the material of the steel wire M. .

さらに、鋼線材Mにショットピーニング処理(ショットピーニング工程)およびセッチング処理(セッチング工程)を施すことにより、所望の耐疲労性を得ることができる。オーステナイト域に加熱した状態でコイリングを行うため、加工による残留応力の発生を防ぐことができる。このため、ショットピーニングによって圧縮残留応力を付与し易く、ばねの内径側において表面から深くかつ大きい圧縮残留応力を効果的に付与することができる。さらに、セッチング処理を行うことにより、ばねとして使用した場合の最大主応力方向により深い圧縮残留応力分布が形成され、耐疲労性を向上することができる。   Furthermore, desired fatigue resistance can be obtained by subjecting the steel wire M to a shot peening process (shot peening process) and a setting process (setting process). Since coiling is performed in a state heated to the austenite region, it is possible to prevent the generation of residual stress due to processing. For this reason, it is easy to apply compressive residual stress by shot peening, and deep and large compressive residual stress can be effectively applied on the inner diameter side of the spring. Furthermore, by performing the setting process, a deep compressive residual stress distribution is formed in the maximum principal stress direction when used as a spring, and fatigue resistance can be improved.

本実施形態においては、粒径0.6〜1.2mmのショットによる第1のショットピーニング処理と、粒径0.2〜0.8mmのショットによる第2のショットピーニング処理と、粒径0.02〜0.30mmのショットによる第3のショットピーニング処理からなる多段ショットピーニング処理を行う。後に実施するショットピーニング処理において、先に実施するショットピーニング処理よりも小さいショットを用いるため、線材の表面粗さを平滑にすることができる。   In the present embodiment, a first shot peening process using a shot having a particle diameter of 0.6 to 1.2 mm, a second shot peening process using a shot having a particle diameter of 0.2 to 0.8 mm, A multi-stage shot peening process including a third shot peening process with a shot of 02 to 0.30 mm is performed. In the shot peening process to be performed later, since the shot smaller than the shot peening process to be performed earlier is used, the surface roughness of the wire can be smoothed.

ショットピーニングで使用するショットは、スチールカットワイヤやスチ−ルビーズ、FeCrB系をはじめとした高硬度粒子等を用いることができる。また、圧縮残留応力は、ショットの球相当直径や投射速度、投射時間、および多段階の投射方式で調整することができる。   For shots used in shot peening, steel cut wires, steel beads, high hardness particles such as FeCrB, and the like can be used. Further, the compressive residual stress can be adjusted by a shot equivalent sphere diameter, a projection speed, a projection time, and a multi-stage projection method.

また、本実施形態では、セッチング処理としてホットセッチングを行い、100〜300℃に加熱し、かつ線材表面に作用するせん断ひずみ量がばねとして実際に使用する場合の作用応力でのせん断ひずみ量以上となるようにばね形状の鋼材に対して塑性ひずみを与える。   Moreover, in this embodiment, hot setting is performed as a setting process, the shear strain amount acting on the surface of the wire rod is heated to 100 to 300 ° C., and the shear strain amount at the working stress when actually used as a spring is greater than the shear strain amount. Thus, plastic strain is applied to the spring-shaped steel material.

以上のような工程によって作製した本発明の圧縮コイルばねは、ばね素線の任意の横断面において内部硬さが570〜700HVであり、コイルばね内径側の表層部にC濃化層を有する。このC濃化層は、表面C濃度およびC濃化層深さが横断面円周に沿ってばね内径側から外径側に向かうに従って連続的に減少する。なお、C濃化層は、最大C濃度が0.7〜0.9重量%であり、厚さが0.01〜0.1mmであり、内部硬さよりも50HV以上高い硬さを有する。したがって、本発明の圧縮コイルばねは、圧縮残留応力が深くかつ大きく付与されているため、耐疲労性に優れている。   The compression coil spring of the present invention produced by the process as described above has an internal hardness of 570 to 700 HV in an arbitrary cross section of the spring element wire, and has a C concentrated layer on the surface layer portion on the inner side of the coil spring. In the C-concentrated layer, the surface C concentration and the C-concentrated layer depth continuously decrease from the spring inner diameter side toward the outer diameter side along the cross-sectional circumference. The C-concentrated layer has a maximum C concentration of 0.7 to 0.9% by weight, a thickness of 0.01 to 0.1 mm, and a hardness that is 50 HV higher than the internal hardness. Therefore, the compression coil spring of the present invention is excellent in fatigue resistance because the compressive residual stress is deep and large.

図5は図3の変形例を示す図であり、高周波加熱コイル40のコイルの間にガス吹付けノズル50を設置した例である。この例では、コイリング前に加熱中に浸炭工程を行うため、ガス吹付けノズル50の数を適宜選定することで浸炭時間を自由に設定することができる。   FIG. 5 is a view showing a modification of FIG. 3, in which a gas spray nozzle 50 is installed between the coils of the high-frequency heating coil 40. In this example, since the carburizing step is performed during heating before coiling, the carburizing time can be freely set by appropriately selecting the number of gas spray nozzles 50.

(2)第2実施形態
第1実施形態においては熱間コイリング時に浸炭処理を施したが、図1(B)に示すように、熱間コイリング前に浸炭工程を行っても本発明の圧縮コイルばねを得ることができる。たとえば、図4に示すように、フィードローラ10の手前にガス吹付けノズル50を設置し、その手前に高周波加熱コイル40を配置して浸炭処理を行う。ガス吹付けノズル50は、フィードローラ10よりも上流であって、鋼線材Mの径方向のなかでばね形状に成形した際に外径側となる方向に位置している。浸炭条件は第1実施形態と同様である。浸炭工程後は、鋼線材Mを切離さずにそのままコイリング工程に供する。なお、コイリング工程、焼入れ工程、焼戻し工程、ショットピーニング工程、およびセッチング工程は第1実施形態と同様に行う。
(2) Second Embodiment In the first embodiment, the carburizing process was performed during hot coiling. However, as shown in FIG. 1B, the compression coil of the present invention can be used even if the carburizing process is performed before hot coiling. A spring can be obtained. For example, as shown in FIG. 4, a gas blowing nozzle 50 is installed in front of the feed roller 10, and a high frequency heating coil 40 is arranged in front of it to perform the carburizing process. The gas blowing nozzle 50 is positioned upstream of the feed roller 10 and in the direction of the outer diameter side when formed into a spring shape in the radial direction of the steel wire M. The carburizing conditions are the same as in the first embodiment. After the carburizing process, the steel wire M is not cut off and used as it is in the coiling process. The coiling process, quenching process, tempering process, shot peening process, and setting process are performed in the same manner as in the first embodiment.

第2実施形態によれば、第1実施形態と同等の圧縮コイルばねを得ることができる。また、第2実施形態では、コイリング前に浸炭工程を行うため、第1実施形態に比べて浸炭時間を自由に設定することができる。   According to the second embodiment, a compression coil spring equivalent to that of the first embodiment can be obtained. In the second embodiment, since the carburizing process is performed before coiling, the carburizing time can be freely set as compared with the first embodiment.

(3)第3実施形態
また、図1(C)に示すような冷間成形法を用いて本発明の圧縮コイルばねを得ることもできる。第1実施形態において用いた鋼線材Mを任意のコイリングマシンによって冷間コイリングを行う(コイリング工程)。そして、コイリング後の鋼線材Mを20秒以内でオーステナイト域まで昇温し焼入れを行う(浸炭焼入れ工程)。このとき、加熱は高周波加熱手段を用い、加熱中から焼入れまでの間に鋼線材Mの表面に炭化水素系ガスを直接吹付けて浸炭処理を同時に行う。たとえば、図6に示すように、鋼線材Mを回転可能かつ上下方向へ移動可能な冶具60に固定し、鋼線材Mの周囲に高周波加熱コイル40、高周波加熱コイル40の互いに隣接するコイルの間にガス吹付けノズル50をそれぞれ設置する。そして、冶具60を回転させることにより鋼線材Mを回転させながら上方(または下方)へ移動させ、ガス吹付けノズル50を通してガスを供給して、コイルばねの表面が均一に焼入れおよび浸炭されるように行う。浸炭条件は第1実施形態と同様である。
(3) Third Embodiment In addition, the compression coil spring of the present invention can be obtained using a cold forming method as shown in FIG. Cold coiling is performed on the steel wire M used in the first embodiment by an arbitrary coiling machine (coiling process). Then, the steel wire M after coiling is heated to the austenite region within 20 seconds and quenched (carburizing and quenching step). At this time, high-frequency heating means is used for heating, and a carburizing process is simultaneously performed by spraying a hydrocarbon-based gas directly on the surface of the steel wire M during heating and quenching. For example, as shown in FIG. 6, the steel wire M is fixed to a jig 60 that can rotate and move in the vertical direction, and the high-frequency heating coil 40 and the high-frequency heating coil 40 are adjacent to each other around the steel wire M. Gas spray nozzles 50 are respectively installed in Then, the steel wire M is rotated upward (or downward) by rotating the jig 60 and gas is supplied through the gas blowing nozzle 50 so that the surface of the coil spring is uniformly quenched and carburized. To do. The carburizing conditions are the same as in the first embodiment.

次に、第1実施形態と同様に焼入れ工程、焼戻し工程、ショットピーニング工程、およびセッチング工程を順に行う。加熱焼入れ工程においてオーステナイト域まで加熱を行うため、冷間成形によって発生した引張残留応力を解消することができ、ショットピーニングおよびセッチングの効果を効果的に得ることができる。このようにして、第1実施形態と同等の性能の圧縮コイルばねを得ることができる。   Next, similarly to the first embodiment, a quenching process, a tempering process, a shot peening process, and a setting process are sequentially performed. Since heating is performed up to the austenite region in the heating and quenching step, the tensile residual stress generated by cold forming can be eliminated, and the effects of shot peening and setting can be obtained effectively. Thus, a compression coil spring having the same performance as that of the first embodiment can be obtained.

第1および第2実施形態と比べ、第3実施形態ではコイル形状の鋼線材Mに対して高周波加熱を行うため、均熱化等を考慮する必要がある。また、加熱時間が比較的長くなるため、結晶粒微細化の効果については、第1および第2実施形態に劣る。そして、冷間成形法では、成形後のコイルばねには大きな加工歪みが残留しており、その加工歪みは個体内で一様ではない。このため、加熱焼入れ工程において、加工歪みを解放させた際に、形状が歪になり易い。さらに、第3実施形態では、複雑な形状のコイルばね(円錐形、釣鐘形、両端絞り形、鼓形、樽形等の異形ばね)を加熱する際に、均熱化を目的に一品一様の加熱コイルが必要となり、その加熱コイルの設計と加熱条件出しに多大な労力を必要とする。また、より複雑な形状のコイルばねに対しては、均熱化に困難を来す場合もある。したがって、いずれの観点からも、第3実施形態と比較して、第1および第2実施形態における製造方法のほうが好ましい。   Compared with the first and second embodiments, the third embodiment performs high-frequency heating on the coil-shaped steel wire M, so it is necessary to consider soaking. In addition, since the heating time is relatively long, the effect of crystal grain refinement is inferior to that of the first and second embodiments. In the cold forming method, a large processing strain remains in the coil spring after forming, and the processing strain is not uniform within the individual. For this reason, in the heating and quenching process, when the processing strain is released, the shape tends to be distorted. Furthermore, in the third embodiment, when heating a coil spring having a complicated shape (a deformed spring such as a conical shape, a bell shape, a double-end choke shape, a drum shape, a barrel shape, etc.) Heating coil is required, and a great deal of labor is required for designing the heating coil and determining heating conditions. Further, it may be difficult to equalize the temperature of the coil spring having a more complicated shape. Therefore, from any viewpoint, the manufacturing method in the first and second embodiments is more preferable than that in the third embodiment.

1.サンプル作製方法
各製造工程によってコイルばねのサンプルを作製し、耐疲労性の評価を行った。まず、表1に記載の化学成分を有し、残部が鉄および不可避不純物からなる硬引線およびオイルテンパ線を用意した。各線材の線径は表2に示す通りである。そして、硬引線またはオイルテンパ線に対して、図1(A)〜(F)に示す製造工程(それぞれ、製造工程A〜Eと表す)にしたがって、熱間成形法または冷間成形法によりばね指数6、有効部ピッチ角9°、有効部巻数4.25巻のコイルばねを作製した。
1. Sample Preparation Method Samples of coil springs were prepared by each manufacturing process, and fatigue resistance was evaluated. First, having a chemical composition shown in Table 1, the balance being prepared hard drawn wire and oil-tempered over line consisting of iron and inevitable impurities. The wire diameter of each wire is as shown in Table 2. The hard against drawn wire or oil-tempered over line, FIG. 1 (A) ~ (F) in the production process (respectively, represent the manufacturing process A-E) shown in accordance with, by hot molding or cold molding A coil spring having a spring index of 6, an effective portion pitch angle of 9 °, and an effective portion winding number of 4.25 was produced.

Figure 0006178102
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製造工程Aでは、高周波加熱コイルおよびガス吹付ノズルを備えたコイリングマシン(図3参照)により鋼線を加熱してコイリングを行い、表2に示す条件で浸炭処理を行った後、60℃の油によって焼入れした。表2において、浸炭処理温度は、鋼線の表面温度であり、動圧は、鋼線表面におけるプロパンガスの動圧を表す。その後、表2に記載の条件で焼戻し処理を行った(発明例1〜18、比較例1〜3)。また、製造工程Bでは、図4に示すコイリングマシンを用いて表2に示す浸炭処理条件において浸炭処理を施した後、鋼線を900℃に加熱してコイリングを行い、60℃の油によって焼入れした。その後、350℃において焼戻し処理を行った(発明例19)。   In the manufacturing process A, coiling is performed by heating a steel wire with a coiling machine (see FIG. 3) equipped with a high-frequency heating coil and a gas spray nozzle, and after carburizing under the conditions shown in Table 2, oil at 60 ° C. Quenched by. In Table 2, the carburizing temperature is the surface temperature of the steel wire, and the dynamic pressure represents the dynamic pressure of propane gas on the surface of the steel wire. Then, the tempering process was performed on the conditions of Table 2 (Invention Examples 1-18, Comparative Examples 1-3). Moreover, in the manufacturing process B, after performing carburizing treatment using the coiling machine shown in FIG. 4 under the carburizing treatment conditions shown in Table 2, the steel wire is heated to 900 ° C. and coiled, and quenched with oil at 60 ° C. did. Thereafter, a tempering treatment was performed at 350 ° C. (Invention Example 19).

製造工程Cでは、任意のコイリングマシンによる冷間コイリング後、図5に示すような装置を用いて表2に記載の条件で加熱浸炭処理を行い、60℃の油によって焼入れを行った後、350℃において焼戻し処理を行った(発明例20)。また、比較のため、製造工程DおよびEによりコイルばねのサンプルを作製した。製造工程Dでは、冷間コイリング後、表2に示す温度において焼鈍処理を行った(比較例4〜6)。製造工程Eでは冷間コイリング後、400℃において焼鈍処理を行い、次いで窒化処理を行った。窒化処理では線材表面に深さ0.04mmの硬質層を形成した。製造工程Fでは、製造工程Aで用いる装置でプロパンガスを導入せずに鋼線材を熱間成形し、60℃の油によって焼入れを行った後、350℃において焼戻し処理を行った。次いで、コイルばねをバッチ式の加熱炉に収容して浸炭を行った(比較例7)。   In the manufacturing process C, after cold coiling with an arbitrary coiling machine, using a device as shown in FIG. 5, heat carburizing treatment is performed under the conditions described in Table 2, quenching with oil at 60 ° C., 350 A tempering treatment was performed at ° C (Invention Example 20). For comparison, a sample of a coil spring was manufactured by manufacturing steps D and E. In the manufacturing process D, after cold coiling, the annealing process was performed at the temperature shown in Table 2 (Comparative Examples 4-6). In manufacturing step E, after cold coiling, annealing was performed at 400 ° C., and then nitriding was performed. In the nitriding treatment, a hard layer having a depth of 0.04 mm was formed on the surface of the wire. In the manufacturing process F, the steel wire was hot-formed without introducing propane gas in the apparatus used in the manufacturing process A, quenched with oil at 60 ° C., and then tempered at 350 ° C. Next, the coil spring was housed in a batch-type heating furnace and carburized (Comparative Example 7).

次に、各サンプルに対してショットピーニング処理およびセッチング処理を施した。ショットピーニング処理では、球相当直径1.0mmのスチール製ラウンドカットワイヤによる第1のショットピーニング処理と、球相当直径0.5mmのスチール製ラウンドカットワイヤによる第2のショットピーニング処理と、球相当直径0.1mmのスチールビーズによる第3のショットピーニング処理とを順に行った。セッチングはホットセッチングとし、コイルばねの加熱温度200℃、負荷応力1500MPaで行った。   Next, a shot peening process and a setting process were performed on each sample. In the shot peening process, a first shot peening process using a steel round cut wire having a sphere equivalent diameter of 1.0 mm, a second shot peening process using a steel round cut wire having a sphere equivalent diameter of 0.5 mm, and a sphere equivalent diameter. A third shot peening treatment with 0.1 mm steel beads was sequentially performed. The setting was hot setting, and the heating was performed at a coil spring heating temperature of 200 ° C. and a load stress of 1500 MPa.

Figure 0006178102
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2.評価方法
このようにして得たサンプルに対し、以下の通り諸性質を調査した。その結果を表3に示す。
2. Evaluation Method Various properties of the sample thus obtained were investigated as follows. The results are shown in Table 3.

(1)硬さ(HV)
ビッカース硬さ試験機(フューチャテック FM−600)を用いてコイルばねの線材横断面におけるコイル内径側で測定を行った。測定荷重は表面から深さ0.05mmまでは10gf、深さ0.05〜0.1mmまでは25gf、深さ0.2mm以上の位置では200gfとした。
(1) Hardness (HV)
Using a Vickers hardness tester (Futuretec FM-600), the measurement was performed on the coil inner diameter side in the cross section of the wire rod of the coil spring. The measurement load was 10 gf from the surface to a depth of 0.05 mm, 25 gf from a depth of 0.05 to 0.1 mm, and 200 gf at a depth of 0.2 mm or more.

(2)深さ0.2、0.4mmの圧縮残留応力(−σR0.2、−σR0.4)、最大圧縮残留応力(−σRmax)、圧縮残留応力積分値(I−σR)、クロッシングポイント(CP)
コイルばねの内径側表面において、線材の線軸方向に対し+45°方向(ばねに圧縮荷重を負荷した場合の略最大主応力方向)の圧縮残留応力を、X線回折型残留応力測定装置(リガク製)を用いて測定した。測定は、管球:Cr、コリメータ径:0.5mmとして行った。また、コイルばねに対して塩酸を用いて線材表面の全面化学研磨後上記測定を行い、これを繰返すことで深さ方向の残留応力分布を求め、その結果から表面から0.2mm、0.4mmの深さにおける無負荷時の圧縮残留応力、最大圧縮残留応力、クロッシングポイントを求めた。また、圧縮残留応力積分値は、深さと残留応力の関係図における、表面からクロッシングポイントまでの圧縮残留応力を積分することにより算出した。
(2) Compressive residual stress ( −σ R0.2 , −σ R0.4 ), depth 0.2 , 0.4 mm , maximum compressive residual stress (−σ Rmax ), integrated compressive residual stress (I −σR ) Crossing point (CP)
On the inner diameter side surface of the coil spring, an X-ray diffraction type residual stress measuring device (manufactured by Rigaku) is used to measure the compressive residual stress in the + 45 ° direction (substantially the maximum principal stress direction when a compressive load is applied to the spring). ). The measurement was performed with a tube: Cr and a collimator diameter: 0.5 mm. In addition, the above measurement is performed after the entire surface of the wire is chemically polished using hydrochloric acid with respect to the coil spring, and the residual stress distribution in the depth direction is obtained by repeating this, and 0.2 mm, 0.4 mm from the surface is obtained from the result. The compressive residual stress at no load, the maximum compressive residual stress, and the crossing point at a depth of 5 mm were obtained. The integrated compressive residual stress value was calculated by integrating the compressive residual stress from the surface to the crossing point in the relationship diagram of depth and residual stress.

(3)表面C濃度(Cc)、C濃化層厚さ(Ct)
コイルばねの線材横断面における内径側において表面C濃度およびC濃化層の厚さを測定した。測定にはEPMA(島津製作所 EPMA−1600)を用い、ビーム径1μm、測定ピッチ1μmとしてライン分析を行った。C濃化層厚さは、線材内部と同じC濃度となるまでの表面からの深さとした。また、発明例8,15については、図7(A)に示すように、コイルばねの断面について、内径方向の位置(0°)から断面の円周に沿って外径方向(180°)にいたる各部の表面C濃度を測定した。なお、図7(B)は発明例8、図7(C)は発明例15であり、2つの曲線で挟まれた部分がC濃化層を示している。
(3) Surface C concentration (Cc), C concentrated layer thickness (Ct)
The surface C concentration and the thickness of the C enriched layer were measured on the inner diameter side in the wire rod cross section of the coil spring. EPMA (Shimadzu Corporation EPMA-1600) was used for the measurement, and a line analysis was performed with a beam diameter of 1 μm and a measurement pitch of 1 μm. The C concentrated layer thickness was the depth from the surface until the same C concentration as the inside of the wire was reached. As for Invention Examples 8 and 15, as shown in FIG. 7 (A), the coil spring cross section from the position in the inner diameter direction (0 °) to the outer diameter direction (180 °) along the circumference of the cross section. The surface C concentration of each part was measured. 7B shows Invention Example 8 and FIG. 7C shows Invention Example 15, and the portion sandwiched between the two curves shows the C-enriched layer.

(4)旧オーステナイト粒平均結晶粒度番号(G)
前処理として、コイルばねのサンプルを500℃で1時間加熱した。そして、コイルばねの横断面の深さd/4の位置において、視野数を10箇所として、光学顕微鏡(NiKON ME600)を用いて倍率:1000倍でJIS G0551に準拠して測定を行い、旧オーステナイト粒平均結晶粒度番号Gを算出した。
(4) Old austenite grain average grain size number (G)
As a pretreatment, a coil spring sample was heated at 500 ° C. for 1 hour. Then, at the position of the depth d / 4 of the cross section of the coil spring, the number of fields of view is 10 and the optical microscope (NiKON ME600) is used and the magnification is 1000 times and the measurement is performed according to JIS G0551. The grain average grain size number G was calculated.

(5)表面粗さ(Rz(最大高さ))
非接触三次元形状測定装置(MITAKA NH−3)を用いてJIS B0601に準拠して表面粗さの測定を行った。測定条件は、測定倍率:100倍、測定距離:4mm、測定ピッチ:0.002mm、カットオフ値:0.8mmとした。
(5) Surface roughness (Rz (maximum height))
Surface roughness was measured according to JIS B0601 using a non-contact three-dimensional shape measuring apparatus (MITAKA NH-3). The measurement conditions were: measurement magnification: 100 times, measurement distance: 4 mm, measurement pitch: 0.002 mm, cut-off value: 0.8 mm.

(6)平均結晶粒径(dGS
FE−SEM/EBSD(Electron Back Scatter Diffraction)法により、JEOL JSM−7000F(TSLソリューションズ OIM−Analysys Ver.4.6)を用いて、平均結晶粒径を測定した。ここで、測定はコイルばねの横断面の深さd/4の位置において行い、観察倍率10000倍で行い、方位角度差5°以上の境界を粒界として平均結晶粒径を算出した。
(6) Average crystal grain size (d GS )
The average crystal grain size was measured by JEOL JSM-7000F (TSL Solutions OIM-Analysis Ver. 4.6) by the FE-SEM / EBSD (Electron Back Scatter Diffraction) method. Here, the measurement was performed at the position of the depth d / 4 of the cross section of the coil spring, the observation magnification was 10,000 times, and the average crystal grain size was calculated with the boundary having an azimuth angle difference of 5 ° or more as the grain boundary.

(7)耐疲労性(折損率)
油圧サーボ型疲労試験機(鷺宮製作所)を用いて室温(大気中)において疲労試験を行った。試験応力:735±662MPa、周波数:20Hz、試験数:各8本であり、2千万回加振時の折損率(折損数/試験本数)で耐疲労性を評価した。
(7) Fatigue resistance (breakage rate)
A fatigue test was performed at room temperature (in the air) using a hydraulic servo type fatigue tester (Enomiya Seisakusho). The test stress was 735 ± 662 MPa, the frequency was 20 Hz, the number of tests was 8 each, and the fatigue resistance was evaluated by the breakage rate (number of breaks / number of tests) at the time of vibration 20 million times.

Figure 0006178102
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3.評価結果
(1)硬さ
表3から分かるように,熱間成形法による本発明で内部硬さが570〜700HV(より好ましくは570HV〜690HV)であると、高い耐疲労性が得られる。一方、比較例3(焼戻し温度高)の結果から、熱間成形法によって作製し、かつ内径側に浸炭処理を施したコイルばねでも、硬さが570HV未満の場合は十分な耐疲労性が得られない(理由:本技術分野において要求される耐疲労性に対し耐力が乏しい)。また、全ての発明例では、浸炭によって内径側表面の硬さが内部と比較して50HV以上高くなっている。これによって、表面近傍で高い圧縮残留応力を得ることができ、表面近傍(最表面含む)を起点とする疲労亀裂の発生を防止することができる(耐疲労性向上)。
3. Evaluation Results (1) Hardness As can be seen from Table 3, high fatigue resistance is obtained when the internal hardness is 570 to 700 HV (more preferably 570 HV to 690 HV) in the present invention by the hot forming method. On the other hand, from the results of Comparative Example 3 (high tempering temperature), even a coil spring manufactured by hot forming and carburized on the inner diameter side has sufficient fatigue resistance when the hardness is less than 570 HV. (Reason: poor strength against fatigue resistance required in this technical field). Moreover, in all the invention examples, the hardness of the inner diameter side surface is increased by 50 HV or more compared to the inside due to carburization. Thereby, a high compressive residual stress can be obtained in the vicinity of the surface, and the occurrence of fatigue cracks starting from the vicinity of the surface (including the outermost surface) can be prevented (improvement in fatigue resistance).

(2)旧オーステナイト粒平均結晶粒度
単純組成の材質A,B,C,またはDからなる製法Aによる発明例1〜4では、Gは10番以上であり、結晶粒微細化効果のあるV量が高い高級鋼を素材とする比較例4,5と同等程度の微細結晶粒が得られている。したがって、発明例1〜4では耐疲労性が向上していることが推測される。単純組成からなる材質を用いてこのような微細結晶粒が得られているのは、高周波加熱による急速加熱によるものである。すなわち、高周波加熱によって短時間で加熱を行うことで旧オーステナイト粒の粗大化抑制、或いは微細化に繋がり、単純組成からなる発明例1〜4において、Gが10番以上の微細結晶粒を得ることができ、耐疲労性が良好である.
(2) Old austenite grain average crystal grain size In Invention Examples 1 to 4 by production method A consisting of materials A, B, C, or D having a simple composition, G is No. 10 or more, and V amount has an effect of grain refinement As a result, fine crystal grains comparable to those of Comparative Examples 4 and 5 made of high-grade steel are obtained. Therefore, it is estimated that the fatigue resistance is improved in Invention Examples 1 to 4. The reason why such fine crystal grains are obtained using a material having a simple composition is due to rapid heating by high-frequency heating. That is, heating in a short time by high-frequency heating leads to suppression of coarsening or refinement of prior austenite grains, and in Invention Examples 1 to 4 having a simple composition, G obtains fine crystal grains having a number of 10 or more. It has good fatigue resistance.

単純組成の材質Cからなる製法Fによる比較例7では、熱間成形法の後に炉浸炭を行っているため、短時間で浸炭処理を行っている製法A〜Cによるものと比較して旧オーステナイト粒平均結晶粒度が著しく低下している。熱間成形法によって作製し、かつ全面に浸炭処理を施したばねでも、旧オーステナイト粒平均結晶粒度が10未満の場合は十分な耐疲労性が得られない。   In the comparative example 7 by the manufacturing method F which consists of the material C of a simple composition, since the furnace carburizing is performed after the hot forming method, compared with the manufacturing method AC which is performing the carburizing process in a short time, the old austenite The grain average grain size is significantly reduced. Even with a spring made by hot forming and carburized over the entire surface, if the prior austenite grain average grain size is less than 10, sufficient fatigue resistance cannot be obtained.

製法Cによる発明例20においても、高周波加熱による短時間加熱の結果、Gは10.1と微細結晶粒を得ることができている。製法Aと比較して製法Cで結晶粒度がやや悪化しているのは、製法Cではコイル形状のものに対して高周波加熱を行うため、製法Aのような鋼線材を加熱する場合と比較して、均熱化等を考慮した際に、製法Fほどではないとはいえ加熱時間が長くなってしまうためである。つまり、製法Aは製法Cよりも結晶粒の微細化の点でより好ましい。   Also in Invention Example 20 by production method C, as a result of short-time heating by high-frequency heating, G was 10.1 and fine crystal grains could be obtained. Compared with the manufacturing method A, the grain size of the manufacturing method C is slightly deteriorated because the manufacturing method C performs high-frequency heating on the coil-shaped material, so that the steel wire rod as in the manufacturing method A is heated. This is because, when soaking is considered, the heating time becomes long although it is not as high as the manufacturing method F. In other words, production method A is more preferable than production method C in terms of crystal grain refinement.

(3)平均結晶粒径
単純組成の材質A,B,C,またはDからなる発明例1〜4では、dGSは0.66〜0.89μmであり、高級鋼を用いた比較例5,6と同程度の平均結晶粒径であった。この理由は、前述のように、高周波加熱によって短時間で加熱を行うことが組織の粗大化抑制、あるいは微細化につながったためであり、その結果、発明例1〜4では微細な平均結晶粒径が得られ耐疲労性が向上している。
(3) Average crystal grain size In invention examples 1 to 4 consisting of materials A, B, C, or D having a simple composition, d GS is 0.66 to 0.89 μm, and Comparative Example 5 using high-grade steel The average crystal grain size was about the same as 6. The reason for this is that, as described above, heating in a short time by high-frequency heating led to suppression of coarsening of the structure or miniaturization, and as a result, in Examples 1 to 4, the fine average crystal grain size Is obtained and fatigue resistance is improved.

製法Fによる比較例7では、熱間成形法の後に炉浸炭を行っているため、短時間で浸炭処理を行っている製法A〜Cと比較して平均結晶粒径が著しく大きい。熱間成形法によって作製し、かつ全面に浸炭処理を施したばねでも、平均結晶粒径(dGS)が2.0μmを超える場合は十分な耐疲労性を得られない。 In Comparative Example 7 by the manufacturing method F, since the furnace carburizing is performed after the hot forming method, the average crystal grain size is significantly larger than the manufacturing methods A to C in which the carburizing treatment is performed in a short time. Even with a spring made by a hot forming method and carburized over the entire surface, sufficient fatigue resistance cannot be obtained if the average crystal grain size (d GS ) exceeds 2.0 μm.

製法Cによる発明例20でも、高周波加熱による短時間加熱の結果、dGSは0.94μmと微細結晶粒を得ることができている。前述のように、製法Cでは製法Aと比較して加熱が長時間化するため、製法Aでは製法Cよりも結晶粒の微細化の点でより好ましい。 Also in Invention Example 20 by the production method C, as a result of short-time heating by high-frequency heating, d GS is 0.94 μm and fine crystal grains can be obtained. As described above, in the manufacturing method C, the heating takes a long time compared to the manufacturing method A. Therefore, the manufacturing method A is more preferable than the manufacturing method C in terms of crystal grain refinement.

(4)表面C濃度,C濃化層厚さ
発明例1〜20では、ばね内径側において表面C濃度が0.7〜0.9%であり、C濃化層厚さ(線材内部と同じC濃度となる表面からの深さ)が30μm以上の浸炭がされており、表面近傍での硬さが高いことから、表面近傍での高い圧縮残留応力が得られている。また、表面粗さも改善されることで高い耐疲労性を得ることができる。
(4) Surface C concentration, C concentrated layer thickness In Invention Examples 1 to 20, the surface C concentration is 0.7 to 0.9% on the spring inner diameter side, and the C concentrated layer thickness (the same as the inside of the wire) Carburization with a depth of 30 μm or more is carried out and the hardness near the surface is high, so that a high compressive residual stress is obtained near the surface. Moreover, high fatigue resistance can be obtained by improving the surface roughness.

表4は発明例8と発明例15におけるC濃度測定位置に対する表面C濃度を示したもので、図8は表4をグラフにしたものである。図8に示すように、コイルばねの横断面の内径方向から横断面円周に沿って外径方向へ向かうに従って表面C濃度が連続的に減少している。また、図7(B),(C)に示すように、C濃化層深さは、内径側から横断面円周に沿ってばね外径側に向かうに従って連続的に減少している。このように、コイルばねの横断面の内径方向側の方が表面C濃度が高く、かつC濃化層深さが深いので、降伏応力が高い。したがって、ショットピ−ニングによってより大きな圧縮残留応力が付与されるので、疲労強度が高められている。   Table 4 shows the surface C concentration with respect to the C concentration measurement position in Invention Example 8 and Invention Example 15, and FIG. 8 is a graph of Table 4. As shown in FIG. 8, the surface C concentration continuously decreases from the inner diameter direction of the coil spring to the outer diameter direction along the circumference of the cross section. Further, as shown in FIGS. 7B and 7C, the C concentrated layer depth continuously decreases from the inner diameter side toward the spring outer diameter side along the cross-sectional circumference. Thus, since the surface C concentration is higher and the C enriched layer depth is deeper on the inner diameter direction side of the cross section of the coil spring, the yield stress is higher. Therefore, since greater compressive residual stress is applied by shot pinning, the fatigue strength is enhanced.

Figure 0006178102
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(5)残留応力分布
同じ材質の線材を用い製法Aにより作製した発明例3、製法Bにより作製した発明例19、および製法Cにより作製した発明例20では、同等の硬さとなるよう焼鈍処理を行った比較例4と比べて、表面から深い位置での圧縮残留応力(−σR0.4)が大きい。その理由は、製法AまたはBによって作製した発明例では、冷間コイリングにおいて発生する引張残留応力(コイル内径側に残存)が熱間コイリングにおいてはほとんど発生しないためであり、また、製法Cにより作製した発明例20では、冷間コイリングにおいて発生した引張残留応力が、その後オーステナイト域まで加熱することで完全に解消するためである。つまり、冷間コイリングによって引張残留応力が発生した比較例4と比べ、発明例3,19および20では、ショットピーニングによる圧縮残留応力が表面から深くまで入り易く、破壊起点となり易い0.1〜0.4mm深さにおける圧縮残留応力を大きくできるため耐疲労性を向上させることができる。
(5) Residual stress distribution In Invention Example 3 produced by Manufacturing Method A, Invention Example 19 prepared by Manufacturing Method B, and Invention Example 20 prepared by Manufacturing Method C using the same wire material, annealing treatment was performed so as to obtain equivalent hardness. Compared with Comparative Example 4 performed, the compressive residual stress ( −σ R0.4 ) at a deep position from the surface is large. The reason is that in the invention example produced by the manufacturing method A or B, the tensile residual stress (remaining on the coil inner diameter side) generated in the cold coiling hardly occurs in the hot coiling, and the manufacturing method C is used. In the inventive example 20, the tensile residual stress generated in the cold coiling is completely eliminated by heating to the austenite region thereafter. That is, compared with Comparative Example 4 in which a tensile residual stress was generated by cold coiling, in Invention Examples 3, 19 and 20, the compressive residual stress due to shot peening easily enters deep from the surface, and tends to be a fracture starting point. Since the compressive residual stress at a depth of 4 mm can be increased, fatigue resistance can be improved.

発明例1〜20については、全て−σRmaxは900MPa以上であり、浸炭により表面近傍の降伏応力が上がっているため、ショットピ−ニングにより圧縮残留応力は大きく付与されるとともに、I−σRは150MPa・mm以上、CPは0.45mm以上であり、深く大きな圧縮残留応力が得られている。したがって、発明例では、耐疲労性が向上していることが判る。 For Invention Examples 1 to 20, all of -σ Rmax is 900 MPa or more, and the yield stress in the vicinity of the surface is increased by carburization, so that compressive residual stress is greatly applied by shot peening and I- σR is 150 MPa. -Mm or more, CP is 0.45 mm or more, and a deep and large compressive residual stress is obtained. Therefore, it can be seen that the fatigue resistance is improved in the inventive examples.

熱間コイリング後に一般的な炉浸炭処理を施した比較例7では、浸炭層の厚さが大きいことでショットピ−ニングによる残留応力の付与が表面近傍に偏っている。その結果、破壊起点となりやすい0.1〜0.4mm深さでの圧縮残留応力が小さくなってしまう。   In Comparative Example 7 in which a general furnace carburizing process was performed after hot coiling, the application of residual stress due to shot pinning is biased near the surface due to the large thickness of the carburized layer. As a result, the compressive residual stress at a depth of 0.1 to 0.4 mm, which tends to be a fracture starting point, is reduced.

比較例2〜4の折損品について破面観察を行った結果、その破壊起点は表面から深さ0.15〜0.35mmの範囲であり、非金属系介在物を起点とする内部起点であった。この深さは、合成応力(作用応力−残留応力)の最大値が現れる領域近傍に相当し、その領域(指標として−σR0.2、−σR0.4)での圧縮残留応力が大きいことが耐疲労性に対し重要であると分かる。このため,−σR0.2が200MPa以上かつ−σR0.4が60MPa以上である発明例1〜20では、高級元素が添加された高価な線材を用い、かつ窒化処理が施された比較例6以上の高い耐疲労性を得ることができる。 As a result of observing the fracture surface of the broken products of Comparative Examples 2 to 4, the fracture starting point was within a range of 0.15 to 0.35 mm in depth from the surface, and was an internal starting point starting from a nonmetallic inclusion. It was. This depth corresponds to the vicinity of the region where the maximum value of the combined stress (working stress-residual stress) appears, and the compressive residual stress in the region (-σR 0.2 , -σR 0.4 as an index) is large. Is important for fatigue resistance. For this reason, in Invention Examples 1 to 20 in which -σR 0.2 is 200 MPa or more and -σR 0.4 is 60 MPa or more, a comparative example in which an expensive wire to which a higher element is added is used and nitriding treatment is performed. High fatigue resistance of 6 or more can be obtained.

(6)表面粗さ
高い耐疲労性の得られた発明例1〜20について、表面粗さRz(最大高さ)は9.0μm以下であり、所望する表面粗さRz20μm以下を十分に満足している。ここで、Rzが20μmを超えた場合は、表面粗さにおける谷部が応力集中部となり、その谷部を起点として亀裂が発生・伝播し、その結果、早期折損を招く。また、この表面粗さは、コイリング時におけるツール類との擦れや、ショットピーニング処理により形成される。そして、ショットピーニング処理により形成される表面粗さについては、線材の硬さと、ショットの粒径および硬さ並びに投射速度といった条件との組み合わせによりその大きさが決まる。よって、Rzが20μmを超えないショットピーニングの条件を適宜設定する必要がある。発明例3,7〜15,では、同程度の内部硬さを有する比較例3と比べて表面粗さが小さい。これは、表面に硬さの高いC濃化層が形成されているためである。よって、浸炭層形成による表面硬さの向上は、破壊起点となり易い表面粗さの抑制、つまり、耐疲労性の向上による信頼性の向上に対して有効である。
(6) Surface Roughness Inventive Examples 1 to 20 in which high fatigue resistance is obtained, the surface roughness Rz (maximum height) is 9.0 μm or less, and sufficiently satisfies the desired surface roughness Rz of 20 μm or less. ing. Here, when Rz exceeds 20 μm, a valley portion in the surface roughness becomes a stress concentration portion, and cracks are generated and propagated from the valley portion as a starting point, resulting in premature breakage. The surface roughness is formed by rubbing with tools during coiling or by shot peening. The size of the surface roughness formed by the shot peening process is determined by a combination of the hardness of the wire and conditions such as the particle size and hardness of the shot and the projection speed. Therefore, it is necessary to appropriately set shot peening conditions in which Rz does not exceed 20 μm. In Invention Examples 3 and 7 to 15, the surface roughness is small as compared with Comparative Example 3 having the same internal hardness. This is because a C-concentrated layer having high hardness is formed on the surface. Therefore, the improvement of the surface hardness by forming the carburized layer is effective for the suppression of the surface roughness that tends to become the starting point of fracture, that is, the improvement of the reliability by improving the fatigue resistance.

(7)浸炭条件
ガス吹付圧(線材表面での動圧)は、0.5kPa〜5.0kPaが好ましく、ガス吹付け時の鋼線材温度は850〜1150℃であることが好ましいことが確認された。この条件によれば、発明例7〜15が示す通り、いずれも表面C濃度が0.7%以上であり、0.01mm以上のC濃化層厚さが得られる。表2から、ガス動圧は5.0kPa以下で充分である。したがって、ガス動圧を5.0kPaを超える値とすると経済的でなく、しかも、加えてガス動圧が大きくなると、ガス吹付けによる鋼線材の温度低下が大きくなり、その分必要な入熱量が増加する。
(7) Carburizing conditions It is confirmed that the gas blowing pressure (dynamic pressure on the surface of the wire) is preferably 0.5 kPa to 5.0 kPa, and the steel wire temperature during gas blowing is preferably 850 to 1150 ° C. It was. According to these conditions, as shown in Invention Examples 7 to 15, the surface C concentration is 0.7% or more, and a C concentrated layer thickness of 0.01 mm or more is obtained. From Table 2, a gas dynamic pressure of 5.0 kPa or less is sufficient. Therefore, if the gas dynamic pressure exceeds 5.0 kPa, it is not economical. In addition, if the gas dynamic pressure increases, the temperature drop of the steel wire rod due to gas blowing increases, and the amount of heat input required is accordingly increased. To increase.

浸炭反応の速度の観点から短時間での浸炭には鋼線材温度は850℃以上が必要であり、鋼線材温度が800℃の比較例1では、C濃化層が得られていない。一方、鋼線材温度の高い比較例4では、浸炭反応は十分に起こっているものの、加熱温度が高いために結晶粒度が悪化し、耐疲労性が低下している.   From the viewpoint of the rate of carburization reaction, carburizing in a short time requires a steel wire temperature of 850 ° C. or higher. In Comparative Example 1 where the steel wire temperature is 800 ° C., no C-enriched layer is obtained. On the other hand, in Comparative Example 4 where the steel wire temperature is high, although the carburization reaction has occurred sufficiently, the grain size deteriorates due to the high heating temperature, and the fatigue resistance is reduced.

(8)寸法精度
厳しい寸法精度が要求される部品に対しては、製法Aおよび製法Bによる発明例が好ましい。製法Cでは、耐久性は良好なものの、寸法精度に関しては製法Aおよび製法Bに劣る。その理由は、冷間成形後のコイルばねにおいては大きな加工歪みが残留しており、また、その加工歪みが個体内で一様ではないため、その後オーステナイト領域まで加熱を行うことで加工ひずみの解放が生じた際に、不均一な変形で形状が大きく歪になる等の不都合を招くためである。これに対して、製法Aおよび製法Bでは、熱間成形により加工歪みが残留しない。
(8) Dimensional accuracy The invention example by manufacturing method A and manufacturing method B is preferable for components that require strict dimensional accuracy. In manufacturing method C, although durability is good, dimensional accuracy is inferior to manufacturing method A and manufacturing method B. The reason for this is that large deformation strain remains in the coil spring after cold forming, and the deformation strain is not uniform within the individual, so that the strain is released by heating to the austenite region afterwards. This is because inconveniences such as non-uniform deformation and large distortion of the shape occur. On the other hand, in the manufacturing method A and the manufacturing method B, processing distortion does not remain by hot forming.

製法Aおよび製法Bと、製法Cとの寸法精度の違いについて焼入れ後のコイルばね50個で評価を行った。その結果、コイル径については、製法Cで作製したコイルの標準偏差が0.047mmであったのに対し、製法AおよびBで作製したコイルでは0.020〜0.026mmであった。   The difference in dimensional accuracy between production method A and production method B and production method C was evaluated using 50 coil springs after quenching. As a result, the coil diameter was 0.047 mm for the coil produced by production methods A and B, whereas the standard deviation of the coil produced by production method C was 0.047 mm.

本発明は、ばねとして使用される炭素鋼線、硬鋼線、ピアノ線、ばね鋼線、炭素鋼オイルテンパー線、クロムバナジウム鋼オイルテンパー線、シリコンクロム鋼オイルテンパー線、シリコンクロムバナジウム鋼オイルテンパー線に対して適用が可能である。特に、安価な炭素鋼線、硬鋼線、ピアノ線、ばね鋼線に適用することが好適である。これは、熱間コイリングによるため、従来の冷間成形で使用されている高価なオイルテンパー線を使用する必要が無く、また、安価な線材を持って高級鋼を使用した従来の冷間成形ばねを超えた耐疲労性が得られることによる。   The present invention is a carbon steel wire, hard steel wire, piano wire, spring steel wire, carbon steel oil temper wire, chrome vanadium steel oil temper wire, silicon chrome steel oil temper wire, silicon chrome vanadium steel oil temper used as a spring. Applicable to lines. In particular, it is preferable to apply to inexpensive carbon steel wires, hard steel wires, piano wires, and spring steel wires. This is due to hot coiling, so there is no need to use the expensive oil tempered wire used in conventional cold forming, and the conventional cold forming spring using high-grade steel with an inexpensive wire rod This is because fatigue resistance exceeding 1 is obtained.

1…コイリングマシン成形部、10…フィードローラ、20…コイリング部、21…ワイヤガイド、22…コイリングツール、22a…コイリングピン、23…ピッチツール、30…切断手段、30a…切断刃、30b…内型、40…高周波加熱コイル、50…ノズル、60…冶具、M…鋼線材。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Coiling machine shaping | molding part, 10 ... Feed roller, 20 ... Coiling part, 21 ... Wire guide, 22 ... Coiling tool, 22a ... Coiling pin, 23 ... Pitch tool, 30 ... Cutting means, 30a ... Cutting blade, 30b ... Inside Mold, 40 ... high frequency heating coil, 50 ... nozzle, 60 ... jig, M ... steel wire.

Claims (19)

質量%で、Cが0.80重量%以下の鋼線材を用いた圧縮コイルばねにおいて、ばね内径側表層部に前記鋼線材に含まれるCの平均濃度を超えるC濃化層を有し、任意の線材横断面において表面C濃度およびC濃化層深さが前記横断面円周に沿ってばね内径側から外径側に向かうに従って連続的に減少していることを特徴とする圧縮コイルばね。   In a compression coil spring using a steel wire having a mass% and C of 0.80 wt% or less, the spring inner diameter side surface layer portion has a C-concentrated layer exceeding the average concentration of C contained in the steel wire, A compression coil spring characterized in that the surface C concentration and the C-enriched layer depth continuously decrease from the spring inner diameter side toward the outer diameter side along the circumference of the wire rod in the cross section of the wire. 任意の線材横断面における内部硬さが570〜700HVであり、ばね内径側における前記C濃化層の硬さが内部硬さよりも50HV以上高いことを特徴とする請求項1に記載の圧縮コイルばね。   2. The compression coil spring according to claim 1, wherein an internal hardness in an arbitrary wire cross section is 570 to 700 HV, and a hardness of the C concentrated layer on a spring inner diameter side is 50 HV or more higher than the internal hardness. . ばね内径側における前記C濃化層における最大のC濃度が0.7〜0.9質量%であり、前記C濃化層の厚さが0.01〜0.1mmであることを特徴とする請求項1または2に記載の圧縮コイルばね。   The maximum C concentration in the C concentrated layer on the inner diameter side of the spring is 0.7 to 0.9% by mass, and the thickness of the C concentrated layer is 0.01 to 0.1 mm. The compression coil spring according to claim 1 or 2. 前記圧縮コイルばねは旧オーステナイト結晶粒を有し、JIS G0551に規定される前記旧オーステナイト結晶粒の平均結晶粒度番号が10番以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の圧縮コイルばね。 The compression coil spring has prior austenite crystal grains, and an average crystal grain size number of the prior austenite crystal grains defined in JIS G0551 is 10 or more. Compression coil spring. 前記圧縮コイルばねは方位角度差5°以上の結晶粒を有し、SEM / EBSD法を用いて測定した前記方位角度差5°以上の結晶粒の平均結晶粒径が2.0μm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の圧縮コイルばね。 The compression coil spring has crystal grains having an azimuth angle difference of 5 ° or more, and an average crystal grain size of the crystal grains having the azimuth angle difference of 5 ° or more measured by SEM / EBSD method is 2.0 μm or less. The compression coil spring according to any one of claims 1 to 4. 前記線材のコイルばね内径側のばねに圧縮荷重を負荷した場合に生じる略最大主応力方向において、無負荷時の最大圧縮残留応力が900MPa以上であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の圧縮コイルばね。   6. The maximum compressive residual stress at no load is 900 MPa or more in a substantially maximum principal stress direction generated when a compression load is applied to a spring on the inner diameter side of the coil spring of the wire rod. A compression coil spring according to claim 1. 前記線材のコイルばね内径側のばねに圧縮荷重を負荷した場合に生じる略最大主応力方向において、無負荷時の前記線材の表面から0.2mm深さでの圧縮残留応力が200MPa以上であるとともに表面から0.4mm深さでの圧縮残留応力が60MPa以上であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の圧縮コイルばね。   The compressive residual stress at a depth of 0.2 mm from the surface of the wire under no load is 200 MPa or more in the direction of the substantially maximum principal stress generated when a compression load is applied to the coil spring inner diameter side spring of the wire. The compression coil spring according to any one of claims 1 to 6, wherein a compressive residual stress at a depth of 0.4 mm from the surface is 60 MPa or more. 前記線材のコイルばね内径側のばねに圧縮応力を負荷した場合に生じる略最大主応力方向において、無負荷時の圧縮残留応力の値がゼロとなる前記線材の表面からの深さをクロッシングポイントとし、縦軸を残留応力、横軸を素線半径とした残留応力分布曲線において表面からクロッシングポイントまでの積分値をI−σRと表したとき、I−σRが150MPa・mm以上であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の圧縮コイルばね。 The crossing point is the depth from the surface of the wire where the value of the compressive residual stress at no load is zero in the direction of the substantially maximum principal stress generated when compressive stress is applied to the coil spring inner diameter side spring of the wire. When the integrated value from the surface to the crossing point is expressed as I −σR in the residual stress distribution curve with the residual stress on the vertical axis and the wire radius on the horizontal axis, I −σR is 150 MPa · mm or more. The compression coil spring according to any one of claims 1 to 7. 前記圧縮残留応力がショットピーニングにより付与されていることを特徴とした請求項6〜8のいずれかに記載の圧縮コイルばね。   The compression coil spring according to any one of claims 6 to 8, wherein the compressive residual stress is applied by shot peening. 前記ショットピーニング処理が、粒径0.6mm〜1.2mmショットによる第1のショットピーニング処理と、粒径0.2mm〜0.8mmのショットによる第2のショットピーニング処理と、粒径0.02mmから0.30mmのショットによる第3のショットピーニング処理からなる多段ショットピーニング処理であることを特徴とする請求項に記載の圧縮コイルばね。 The shot peening treatment includes a first shot peening treatment with a particle size of 0.6 mm to 1.2 mm, a second shot peening treatment with a shot with a particle size of 0.2 mm to 0.8 mm, and a particle size of 0.02 mm. 10. The compression coil spring according to claim 9 , wherein the compression coil spring is a multi-stage shot peening process including a third shot peening process using a shot of 0.30 mm to 0.30 mm. ばね形状が、円筒形、または、円錐形、両端絞り形、釣鐘形、鼓形、樽形のいずれかであることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の圧縮コイルばね。 Spring shape, cylindrical, or conical, across the diaphragm type, the compression coil spring according to claim 1, wherein the bell-shaped, hourglass-shaped, is either barrel. コイルばね成形機により鋼線材を熱間成形するコイリング工程と、コイリングした後に切離され温度が未だオーステナイト域にあるコイルをそのまま焼入れする焼入れ工程と、コイルを調質する焼戻し工程と、線材表面に圧縮残留応力を付与するショットピーニング工程と、セッチング工程とを順に行う圧縮コイルばねの製造方法において、
前記コイルばね成形機は、連続的に鋼線材を供給するためのフィードローラと、鋼線材をコイル状に成形するコイリング部と、鋼線材を所定巻数コイリングした後に後方より連続して供給されてくる鋼線材と切断するための切断手段とを有し、
前記コイリング部は、前記フィードローラにより供給された鋼線材を加工部の適切な位置へ誘導するためのワイヤガイドと、前記ワイヤガイドを経由して供給された鋼線材をコイル形状に加工するためのコイリングピンもしくはコイリングローラからなるコイリングツールと、ピッチを付けるためのピッチツールとを備えており、
前記コイルばね成形機は、さらに、前記フィードローラの出口から前記コイリングツールの間に鋼線材を2.5秒以内でオーステナイト域まで昇温する加熱手段を有し、
加熱中から焼入れまでの間に、鋼線材の径方向のなかでばね形状に成形した際に外径側となる方向に位置したガス吹付けノズルから鋼線材表面に炭化水素系ガスを直接吹付ける浸炭工程を行うことを特徴とする圧縮コイルばねの製造方法。
A coiling process in which a steel wire is hot-formed by a coil spring forming machine, a quenching process in which a coil that is cut after coiling and still in the austenite region is quenched, a tempering process in which the coil is tempered, and a wire surface In the manufacturing method of the compression coil spring in which the shot peening process for imparting compressive residual stress and the setting process are sequentially performed,
The coil spring forming machine is continuously supplied from the rear after a feed roller for continuously supplying a steel wire, a coiling portion for forming the steel wire into a coil shape, and coiling the steel wire with a predetermined number of turns. A steel wire and cutting means for cutting,
The coiling unit is for guiding a steel wire supplied by the feed roller to an appropriate position of a processing unit, and for processing the steel wire supplied via the wire guide into a coil shape. A coiling tool consisting of a coiling pin or a coiling roller and a pitch tool for adding a pitch are provided.
The coil spring forming machine further has heating means for raising the temperature of the steel wire to the austenite region within 2.5 seconds between the coiling tool from the feed roller outlet,
Between heating and quenching, hydrocarbon gas is blown directly onto the surface of the steel wire from the gas blowing nozzle located in the direction of the outer diameter when formed into a spring shape in the radial direction of the steel wire. A method of manufacturing a compression coil spring characterized by performing a carburizing step.
前記加熱手段が高周波加熱であり、前記ワイヤガイド内における鋼線材の通過経路上若しくは前記ワイヤガイドにおける鋼線材出口側末端と前記コイリングツールとの空間における鋼線材の通路経路上に鋼線材と同心となるように高周波加熱コイルが配置されていることを特徴とする請求項12に記載の圧縮コイルばねの製造方法。   The heating means is high-frequency heating, and is concentric with the steel wire on the passage of the steel wire in the wire guide or on the passage of the steel wire in the space between the steel wire outlet end and the coiling tool in the wire guide. The method of manufacturing a compression coil spring according to claim 12, wherein a high-frequency heating coil is arranged so as to be. 鋼線材の表層部にC濃化層を形成する浸炭工程と、コイルばね成形機により鋼線材を熱間成形するコイリング工程と、コイリングした後に切離され温度が未だオーステナイト域にあるコイルをそのまま焼入れする焼入れ工程と、コイルを調質する焼戻し工程と、線材表面に圧縮残留応力を付与するショットピーニング工程と、セッチング工程とを順に行う圧縮コイルばねの製造方法において、
前記浸炭工程におけるC濃化層を形成する手段が、鋼線材の径方向のなかでばね形状に成形した際に外径側となる方向に位置したガス吹付けノズルから加熱した鋼線材表面に炭化水素系ガスを直接吹付けるものであり、
前記コイリング工程に用いる前記コイルばね成形機が、連続的に鋼線材を供給するためのフィードローラと、鋼線材をコイル状に成形するコイリング部と、鋼線材を所定巻数コイリングした後に後方より連続して供給されてくる鋼線材と切断するための切断手段とを有し、
前記コイリング部は、前記フィードローラにより供給された鋼線材を加工部の適切な位置へ誘導するためのワイヤガイドと、前記ワイヤガイドを経由して供給された鋼線材をコイル形状に加工するためのコイリングピンもしくはコイリングローラからなるコイリングツールと、ピッチを付けるためのピッチツールとを備え、
前記コイルばね成形機は、さらに、前記フィードローラの出口から前記コイリングツールの間に鋼線材を2.5秒以内でオーステナイト域まで昇温する加熱手段を有し、
前記加熱手段は高周波加熱であり、前記ワイヤガイド内における鋼線材の通過経路上若しくは前記ワイヤガイドにおける鋼線材出口側末端と前記コイリングツールとの空間における鋼線材の通過経路上に鋼線材と同心となるように高周波加熱コイルが配置されており、
前記浸炭工程と前記コイリング工程が途中で鋼線材の切離がない連続した工程であることを特徴とする圧縮コイルばねの製造方法。
A carburizing process for forming a C-enriched layer on the surface layer of the steel wire, a coiling process for hot forming the steel wire with a coil spring forming machine, and a coil that has been separated after coiling and is still in the austenitic region is quenched as it is. In the manufacturing method of the compression coil spring that sequentially performs the quenching process, the tempering process to condition the coil, the shot peening process to impart compressive residual stress to the wire surface, and the setting process,
The means for forming the C-enriched layer in the carburizing step is carbonized on the surface of the steel wire heated from the gas spray nozzle located in the direction of the outer diameter when formed into a spring shape in the radial direction of the steel wire. Hydrogen gas is directly blown,
The coil spring forming machine used in the coiling process is continuously connected from the rear after a feed roller for continuously supplying a steel wire, a coiling portion for forming the steel wire into a coil shape, and coiling the steel wire with a predetermined number of turns. A steel wire that is supplied and a cutting means for cutting,
The coiling unit is for guiding a steel wire supplied by the feed roller to an appropriate position of a processing unit, and for processing the steel wire supplied via the wire guide into a coil shape. A coiling tool composed of a coiling pin or a coiling roller and a pitch tool for adding a pitch are provided.
The coil spring forming machine further has heating means for raising the temperature of the steel wire to the austenite region within 2.5 seconds between the coiling tool from the feed roller outlet,
The heating means is high-frequency heating, and is concentric with the steel wire on the passage of the steel wire in the wire guide or on the passage of the steel wire in the space between the steel wire outlet end and the coiling tool in the wire guide. A high frequency heating coil is arranged so that
A method of manufacturing a compression coil spring, wherein the carburizing step and the coiling step are continuous steps in which there is no separation of the steel wire in the middle.
コイルばね成形機により鋼線材を成形するコイリング工程と、コイルを20秒以内でオーステナイト域まで昇温し焼入れを行う加熱焼入れ工程と、コイルを調質する焼戻し工程と、線材表面に圧縮残留応力を付与するショットピーニング工程と、セッチング工程とを順に行う圧縮コイルばねの製造方法において、
前記加熱焼入れ工程における加熱手段が高周波加熱であり、
加熱中から焼入れまでの間に、成形したコイルばねの外径方向に位置したガス吹付けノズルから鋼線材表面に炭化水素系ガスを直接吹付ける浸炭工程を行うことを特徴とする圧縮コイルばねの製造方法。
A coiling process for forming a steel wire with a coil spring forming machine, a heating and quenching process in which the coil is heated to an austenite region within 20 seconds and quenched, a tempering process in which the coil is tempered, and a compressive residual stress on the surface of the wire In the manufacturing method of the compression coil spring in which the shot peening process to be applied and the setting process are sequentially performed,
The heating means in the heating and quenching step is high frequency heating,
A compression coil spring comprising a carburizing process in which a hydrocarbon-based gas is directly blown onto a steel wire surface from a gas blowing nozzle positioned in an outer diameter direction of a formed coil spring between heating and quenching. Production method.
前記炭化水素系ガスを吹付ける時点の鋼線材表面温度が850〜1150℃であり、且つ、鋼線材表面部における前記炭化水素系ガスの動圧が0.1〜5.0kPaであることを特徴とする請求項12〜15のいずれかに記載の圧縮コイルばねの製造方法。   The steel wire material surface temperature at the time of blowing the hydrocarbon gas is 850 to 1150 ° C., and the dynamic pressure of the hydrocarbon gas on the steel wire surface portion is 0.1 to 5.0 kPa. A method for manufacturing a compression coil spring according to any one of claims 12 to 15. 前記ばね内径側表層部の表面C濃度は、ばね外径側表層部の表面C濃度よりも0.05%以上高いことを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の圧縮コイルばね。   12. The compression coil spring according to claim 1, wherein the surface C concentration of the spring inner diameter side surface layer portion is 0.05% or more higher than the surface C concentration of the spring outer diameter side surface layer portion. 前記ばね内径側の前記C濃化層の厚さは、ばね外径側のC濃化層の厚さよりも4μm以上厚いことを特徴とする請求項1〜11および請求項17のいずれかに記載の圧縮コイルばね。   18. The thickness of the C concentrated layer on the inner diameter side of the spring is 4 μm or more thicker than the thickness of the C concentrated layer on the outer diameter side of the spring. 18. Compression coil spring. 炭化水素系ガスを吹き付けた外径側の鋼線材表面を冷却する一方、内径側の鋼線材表面に炭化水素系ガスを回り込ませて反応させる浸炭工程を行うことを特徴とする請求項12〜15のいずれかに圧縮コイルばねの製造方法。   16. A carburizing step is performed, in which a surface of a steel wire rod on the outer diameter side sprayed with a hydrocarbon gas is cooled while a hydrocarbon gas is introduced into the surface of the steel wire rod on the inner diameter side to cause a reaction. A method for manufacturing a compression coil spring.
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CN109415788A (en) * 2016-07-14 2019-03-01 住友电气工业株式会社 Spring steel wire, spring, the method for manufacturing spring steel wire and the method for manufacturing spring
JP6251830B1 (en) * 2017-04-11 2017-12-20 日本発條株式会社 Compression coil spring
JP7062395B2 (en) * 2017-10-02 2022-05-06 日本発條株式会社 Manufacturing method of compression coil spring
CN108179355A (en) * 2018-01-31 2018-06-19 中钢集团郑州金属制品研究院有限公司 A kind of high-intensity and high-tenacity spring steel wire and its preparation process
JP7165522B2 (en) * 2018-07-10 2022-11-04 日本発條株式会社 Compression coil spring and its manufacturing method
CN113005273B (en) * 2021-02-23 2023-02-21 陕西邑鸣实业有限公司 Manufacturing process of compression spring and tempering furnace filling equipment thereof
WO2023120491A1 (en) * 2021-12-21 2023-06-29 日本発條株式会社 Compression coil spring and method for manufacturing same
WO2023120475A1 (en) * 2021-12-21 2023-06-29 日本発條株式会社 Compression coil spring and method for producing same
CN114260393B (en) * 2021-12-29 2023-10-17 江西金酷智能制造有限公司 Automatic torsion spring device convenient for pressure spring

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000283201A (en) * 1999-03-31 2000-10-13 Toyota Motor Corp Coil spring and manufacture thereof
JP5693126B2 (en) * 2010-10-06 2015-04-01 日産自動車株式会社 Coil spring and manufacturing method thereof
JP5540433B2 (en) * 2010-11-29 2014-07-02 住友電工スチールワイヤー株式会社 Spring excellent in sag resistance and durability and method for manufacturing the same
JP5064590B1 (en) * 2011-08-11 2012-10-31 日本発條株式会社 Compression coil spring and method of manufacturing the same
JP5361098B1 (en) * 2012-09-14 2013-12-04 日本発條株式会社 Compression coil spring and method of manufacturing the same

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